Помимо лития: систематический поиск материалов-кандидатов для ионно-кальциевых батарей.
Электрические автомобили — это будущее; они помогут уменьшить загрязнение воздуха и положить конец нашей зависимости от ископаемого топлива. Однако у этой потенциально прорывной технологии есть одна вопиющая проблема: наличие достаточного количества лития (Li) для производства всех этих автомобильных аккумуляторов. Лучшие перезаряжаемые батареи, которые у нас есть в настоящее время, основаны на химических реакциях с участием лития, поэтому литий-ионные батареи можно найти в большинстве портативных электронных устройств. К сожалению, лития на Земле мало, и его запасы составляют всего 0,002% земной коры. Как только электромобили станут более распространенными, спрос на литий начнет превышать предложение.
Возможным выходом из этой загадки является разработка новых типов батарей, которые основаны на более распространенных щелочных металлах вместо лития. Из нескольких кандидатов, которые могли бы заменить литий, кальций (Ca) выделяется как многообещающий металл для аккумуляторных батарей . Мало того, что Ca в 10 000 раз больше, чем Li, но теоретически он также может обеспечить аналогичную производительность батареи. Тем не менее, все еще остаются некоторые серьезные препятствия на пути разработки батарей на основе кальция, одним из которых является отсутствие знаний о подходящих материалах катода (отрицательного вывода), которые могут эффективно накапливать и высвобождать кальций обратимым образом.
Стремясь помочь определить наилучшие катодные материалы для кальциевых батарей, доцент Хэсун Пак из Университета Чун-Анг, Корея, и его коллеги применили систематический подход. Запустив высокопроизводительное квантово-механическое моделирование, основанное на теории функционала плотности (DFT), команда предсказала важные для батареи свойства различных слоистых материалов, сочетающих Ca и оксиды переходных металлов.
Большая часть этой работы проводилась в Аргоннской национальной лаборатории и в рамках проекта Объединенного центра исследований в области хранения энергии (JCESR), поддерживаемого Министерством энергетики США. «Исследование кальциевых аккумуляторов является одним из основных текущих направлений работы JCESR», — отмечает профессор Парк. «Стабильная поддержка со стороны Argonne и проекта JCESR позволила нам решить проблемы с ионно-кальциевыми батареями, а их инклюзивная среда заложила основу для синергетического сотрудничества». Соответствующий документ был размещен в Интернете 6 ноября 2021 г. и опубликован в томе 11, выпуске 48 журнала Advanced Energy Materials 23 декабря 2021 г.
Ученые рассмотрели семь ионов переходных металлов и четыре типа слоистых структур, всего 28 катодов-кандидатов. С помощью расчетов DFT они оценили многие важные характеристики, включая их термодинамическую стабильность, плотность энергии, способность к синтезу, подвижность Ca и электронную структуру. В свою очередь, это позволило им определить перспективные материалы для разработки аккумуляторов на основе кальция.
В частности, ученые идентифицировали кобальт (Co) как универсальный переходный металл для слоистого катода на основе Ca с формулой CaCo 2 O 4 . Более того, они также показали, что сочетание различных переходных металлов в катоде может быть жизнеспособной стратегией для улучшения определенных желаемых характеристик. «Нам удалось показать, что слоистые оксиды переходных металлов , которые широко используются в литиевых, натриевых и калиевых батареях, могут быть многообещающим классом материалов для кальциевых катодов», — подчеркивает профессор Парк. «Мы надеемся, что обнаруженные нами многообещающие структуры-кандидаты и химические составы будут стимулировать дальнейшие эксперименты с этими материалами».
Успешная разработка недорогих и высокоэффективных ионно-кальциевых батарей, безусловно, поможет в необходимом переходе от традиционных автомобилей к электромобилям, которые во многих отношениях будут более экологичными. Будем надеяться, что экспериментальные работы закрепят результаты этого исследования и проложат путь к более экологичному будущему.
