Создать лучшие батареи помогут беспорядочные материалы

Исследователи из Массачусетского технологического института установили, что, вопреки расхожему мнению, катоды, изготовленные из беспорядочных литиевых компонентов, более эффективны, чем упорядоченные катоды.

Литиевые батареи, с их исключительной способностью сохранять мощность на фиксированный вес, были основной целью исследования для продвижения их использования во всем, от портативной электроники до электрических автомобилей.

И вот теперь ученые из Массачусетского технологического института и Брукхэйвенской национальной лаборатории обнаружили новое направление для такого рода исследований: использование беспорядочных материалов, которые в целом считались неподходящими для батарей.

В перезаряжаемой литиевой батарее ионы лития, то есть атомы, утратившие электрон и потому несущие чистый заряд, выпускаются из катода батареи во время зарядки и возвращаются в катод с исчерпанием энергии. Эти повторные циклы заставляют электроды сжиматься и расширяться, что приводит к образованию трещин и снижению эффективности со временем.

В современных литиевых батареях катоды обычно изготавливаются из аккуратного прозрачного материала, иногда со слоистой структурой. Когда проявляются небольшие отклонения в упорядоченной структуре, эффективность батареи падает, а потому беспорядочные материалы не рассматривались в поиске альтернатив.

Однако выяснилось, что данная корреляция вовсе не универсальна: определенные виды беспорядка могут обеспечить существенное повышение эффективности катода, как выяснили ученые в ходе лабораторных экспериментов и компьютерного моделирования.

Результаты опубликованы в издании Science.

Профессор материаловедения Гербранд Цедер описал в статье материалы, которые могут выпускать и затем вновь поглощать ионы лития, как своего рода обратимая губка. В современных батареях катоды — слоистые материалы, сделанные из лития и оксидов переходных металлов.

Беспорядочная структура обычно существенно ограничивает подвижность ионов лития, а ведь именно высокая подвижность ионов важна для эффективной перезаряжающейся батареи.

Но оказалось, что существенный избыток лития в материале серьезно все меняет. В обычной упорядоченной структуре существует точный баланс между числом атомов лития и других металлов. «Но при избытке лития образуются новые каналы», отметил Цедер.

Пока беспорядочный материал с излишком лития производит нерегулярные тропы, выяснилось, что эти тропы способны действовать как эффективные каналы для ионов лития. Однако такой материал предоставляет дополнительное преимущество: в то время как нерегулярные каналы обеспечивают подвижность лития, равную той, что наблюдается в слоистом материале, в беспорядочном материале ионы лития не деформируют слои.

Новый материал, а именно оксид лития молибдена хрома в данном эксперименте, обладает весьма высокой размерной стабильностью, сообщил Цедер. У большинства других материалов для литиевых катодов движение ионов приводит к изменению формы. Сокращение и разбухание катодов — основная причина всех проблем, включая усталость материала, которая приводит к разрушению.

И если в слоистых материалах изменение размера может составлять 5-10%, то в новом беспорядочном материале оно не превышает 0,1%, то есть фактически равно нулю.

Цедер заявил, что открытие его группы открывает новые направления поиска еще более эффективных материалов с ранее упущенными возможностями.