Химики из Ханбатского национального университета в Южной Корее пошли против привычной логики: чтобы улучшить литий-богатый катод, они намеренно испортили порядок в его кристаллической решётке. Как сообщил Tech Xplore 23 октября, материал без кобальта после такого «перемешивания» показал бо́льшую ёмкость и работал стабильнее упорядоченного аналога. После пятидесяти циклов образец сохранил около 90% начальной ёмкости, падения напряжения не зафиксировали.

Почему порядок мешал

Литий-богатые катоды могут запасать больше энергии, чем обычные, но у них есть давняя проблема. Внутри кристалла ионы никеля и марганца сбиваются со своих мест и загораживают дорогу ионам лития. Каждый цикл заряда-разряда ухудшает характеристики. Учёные обычно пытаются сохранить строгую укладку атомов, считая, что так литию легче двигаться. Группа профессора Кёджина Ку сделала наоборот.

Они взяли два совместимых слоистых материала и размололи их высокоэнергетической шаровой мельницей. Механохимический помол перетасовал катионы — литий и переходные металлы распределились по кристаллу случайно. «Это первый известный нам случай, когда такой состав получен в разупорядоченной форме», — отметил Ку в сообщении университета.

«Намеренно перемешав атомы в разупорядоченную каменную соль, мы разделили движение лития и вредное движение переходных металлов, — объяснил Ку. — Литий по-прежнему течёт через связанную сеть открытых путей, а переходные металлы оказываются зафиксированы на месте и больше не блокируют эти пути».

Представим зал ожидания с креслами, поставленными ровными рядами, а между ними — узкие проходы. Если кто-то сдвигает одно кресло, проход перекрыт. Если же разбросать кресла хаотично, между ними образуется много проходов, сдвинуть одно кресло труднее, и проходимые пути остаются. Примерно так случайное расположение атомов, по замысле исследователей, сохраняет маршруты для ионов лития.

Результат получен на лабораторном образце. В пересказе не указаны абсолютные значения ёмкости, величины испытательных токов и тип ячейки. Устойчивость проверена только на пятидесяти циклах — этих данных недостаточно для суждения о долгом ресурсе или готовности к коммерческой батарее. Исследователи считают, что принцип можно развить и приблизить литий-богатые катоды к реальному использованию. Изучить подробные протоколы испытаний и описание методик можно в научных статьях.

Схема: слева — слоистая структура катода, где ионы металлов загораживают путь; справа — хаотичная структура после помола, где литий движется по открытым маршрутам.

Фото: MaxWdhs / Pixabay