Чтобы поддерживать работу бесчисленных электронных устройств, которые разрабатываются каждый день, исследователям потребуется разрабатывать все более совершенные аккумуляторные технологии. Литий-ионные аккумуляторы (LiB), одни из наиболее часто используемых аккумуляторов в мире, по-прежнему нуждаются в значительных улучшениях.
LiB — это батареи, которые содержат один или несколько литий-ионных элементов вместе с защитной платой. В этих батареях ионы лития перемещаются между катодом (т. е. положительным электродом) и анодом (т. е. отрицательным электродом), в то время как электроны движутся в противоположном направлении во внешней цепи батарей.
Хотя LiB в настоящее время широко используются во всем мире, они все еще имеют некоторые заметные ограничения. Например, известно, что катоды с высокой плотностью энергии в LiB подвержены лабильным потерям кислорода и быстрой деградации. Это может значительно ограничить стабильность и безопасность некоторых батарей на основе лития, увеличивая риск взаимодействия между оксидами или родственными радикалами кислорода с органическими электролитами в батареях.
В результате некоторые разработчики аккумуляторов предположили, что использование высокоэнергетических катодов в LiB обычно небезопасно и нежелательно. В статье исследователей из Пекинского университета, Университета Цинхуа, Китайской академии наук и Массачусетского технологического института (MIT) представлена стратегия, которая может помочь преодолеть проблемы, связанные с использованием высокоэнергетических катодов в LiB. Исследование опубликовано в журнале Nature Energy.
«Мы разрабатываем теорию, лежащую в основе кризиса выделения кислорода, вызванного высоким напряжением, и сообщаем о процессе лантуризации для регулирования приповерхностной структуры энергетических материалов помимо обычного поверхностного легирования», — написали Мингжи Цай, Янхао Донг и их коллеги в своей статье. «Используя LiCoO 2 в качестве примера и обобщая его на слоистых катодах с высокой плотностью энергии, обедненных или не содержащих Co, мы демонстрируем эффективную пассивацию поверхности, подавление деградации поверхности и улучшение электрохимических характеристик».
По сути, Цай, Донг и их коллеги создали поверхностный слой перовскита с высокой электронной проводимостью, но низкой проводимостью ионов кислорода. Затем они показали, что этот слой может действовать как кислородный «буфер», кинетически ингибируя реакцию выделения кислорода (OER), сохраняя при этом правильное функционирование высокоэнергетических катодов в LiB.
Подход, используемый исследователями, основан на так называемом процессе лантуризации. Было обнаружено, что этот процесс успешно стабилизирует циклы высокого напряжения в LiB с высокой плотностью энергии, повышая их безопасность и стабильность.
«Стабильность при циклическом воздействии высокого напряжения была значительно повышена до 4,8 В по сравнению с Li+/Li, в том числе в практичных полных элементах пакетного типа», — пишут Цай, Донг и их коллеги в своей статье. «Превосходная производительность коренится в спроектированной архитектуре поверхности и надежности метода синтеза. Разработанная поверхностная фаза останавливает реакцию выделения кислорода при высоких напряжениях».
Недавнее исследование, проведенное этой группой исследователей, раскрывает новые возможности обработки для проектирования и покрытия поверхностей с помощью пассивации с высокой активностью кислорода, селективного химического сплавления и инженерии деформации. Разработанная ими стратегия может в конечном итоге стать основой для разработки как LiB, так и других аккумуляторных решений, которые будут более стабильными и надежными, особенно во время циклов высокого напряжения.
