Литий-ионные (или Li-ion) батареи являются мощными игроками, когда речь заходит о мире перезаряжаемых батарей. Поскольку электромобили становятся все более распространенными в мире, высокоэнергетическая, недорогая батарея, использующая обилие марганца (Mn), может стать устойчивым вариантом для коммерциализации и использования в автомобильной промышленности.
В настоящее время аккумуляторы, используемые для питания электромобилей (ЭМ), изготавливаются на основе никеля (Ni) и кобальта (Co), что может быть дорогостоящим и неустойчивым для общества с растущим спросом на ЭМ.
Заменив материалы положительного электрода на материалы на основе лития/марганца, исследователи стремятся сохранить высокие эксплуатационные характеристики материалов на основе Ni/Co, но при этом сделать их менее затратными и экологичными.
Результаты своих исследований исследователи опубликовали в журнале ACS Central Science 26 августа 2024 года.
Литий-ионные аккумуляторы не являются новыми игроками в области перезаряжаемой электроники, но всегда есть способы для инноваций и улучшения уже надежных методов. LiMnO 2 как электродный материал изучался в прошлом, но всегда был ограничен ограничительными характеристиками электрода.
«Благодаря систематическому изучению различных полиморфов LiMnO 2 было обнаружено, что моноклинный слоистый домен эффективно активирует структурный переход в шпинелеподобную фазу. Благодаря этому открытию наноструктурированный LiMnO 2 с моноклинными слоистыми доменными структурами и большой площадью поверхности был напрямую синтезирован с использованием простой твердотельной реакции», — сказал Наоаки Ябуучи, автор и исследователь исследования.
Моноклинная система относится к типу групповой симметрии твердой кристаллической структуры. Расположение Li/Mn с моноклинной симметрией, по-видимому, является ключевым фактором, делающим LiMnO 2 приемлемым вариантом для материала положительного электрода.
Без структурного фазового перехода, допускаемого моноклинным доменом, эксплуатационные характеристики электрода были бы ограничены из-за неоптимальной кристаллической структуры LiMnO 2 и сопутствующих фазовых переходов.
После наблюдения и тестирования различных полиморфов было установлено, что необходимую структуру можно синтезировать непосредственно из двух компонентов без использования промежуточного шага. Полученный материал конкурентоспособен со слоистыми материалами на основе никеля и обладает превосходными возможностями быстрой зарядки, что необходимо для электромобилей.
Наноструктурированный LiMnO2 с моноклинным слоистым доменом синтезируется простым процессом прокаливания, в результате чего получается продукт с высокой плотностью энергии, достигающей 820 ватт-часов на килограмм (Вт·ч·кг -1 ), по сравнению с примерно 750 Вт·ч·кг -1 для слоистых материалов на основе никеля и 500 Вт·ч·кг -1 для других недорогих материалов на основе лития.
Также не сообщается о спаде напряжения при использовании наноструктурированного LiMnO2 , что часто встречается в материалах на основе марганца.
Спад напряжения — это явление, при котором напряжение постепенно уменьшается, со временем снижая производительность и отзывчивость электроники. Однако это, по-видимому, не является наблюдаемой проблемой в случае наноструктурированного LiMnO2 , который является предметом исследования.
Хотя есть многообещающие результаты, можно наблюдать практическую проблему: растворение марганца. Со временем марганец может растворяться из-за многих факторов, таких как фазовые переходы или реакция с кислотными растворами. К счастью, это можно сдержать или полностью смягчить с помощью высококонцентрированного раствора электролита и покрытия из фосфата лития.
Исследователи надеются, что их результаты будут способствовать созданию более устойчивого источника энергии, чем ископаемое топливо, особенно это касается электромобилей.
Эффективность LiMnO2 , конкурентоспособная по плотности энергии по сравнению с материалами на основе никеля, демонстрирует потенциал альтернативных материалов для производства экологически чистых продуктов, которые являются устойчивыми как в производстве, так и в качестве долгосрочных инвестиций.
Идеальное будущее для наноструктурированных электродных материалов на основе LiMnO2 могло бы включать коммерциализацию и промышленное производство в индустрии электромобилей класса люкс.
