Не магия, а химия. Китайские ученые нашли способ стабилизации напряжения в батареях будущего

Используя легирование вольфрамом на атомном уровне, ученым удалось значительно снизить эффект падения напряжения, который долгое время оставался главным препятствием для внедрения высокоэнергетических элементов питания. Результаты исследования, опубликованные в журнале eScience, открывают путь к коммерческому использованию катодов на основе слоистых оксидов с избытком лития (LRLO).

Материалы класса LRLO считаются ключевыми для будущего электромобилей и систем хранения энергии в промышленных электросетях из-за их способности накапливать значительно больше энергии по сравнению с традиционными катодами. Однако такие батареи страдают от структурной нестабильности: при зарядке до высокого напряжения происходит миграция переходных металлов и потеря кислорода, что приводит к постепенному снижению напряжения и потере мощности еще до исчерпания емкости.

Китайская команда предложила принципиально новый подход: вместо стандартного размещения примесей в октаэдрических позициях кристаллической решетки, они ввели атомы вольфрама в тетраэдрические междоузлия. Используя модель, ученые добавили минимальное количество вольфрама — менее 1 атомного процента (оптимально 0,75%).

С помощью электронной микроскопии с атомным разрешением исследователи доказали, что каждый атом вольфрама создает кулоновское отталкивание дальнего действия. Это позволяет одному легирующему элементу стабилизировать участок решетки радиусом около 1 нанометра (общая ширина зоны воздействия — примерно 2 нанометра), что является чрезвычайно эффективным на наноуровне. Полиэдры лития и кислорода, окружающие вольфрам, поглощают механическое напряжение, предотвращая разрушение структуры.

Результаты испытаний продемонстрировали разительный контраст. В обычных катодах характерная «сотовая» структура разрушалась уже после 20 циклов заряда-разряда. Зато образцы, легированные вольфрамом, сохраняли целостность решетки даже после 250 циклов. Рентгеновская дифракция in situ подтвердила, что деформация кристаллической структуры во время работы была минимальной, а выделение кислорода — главная причина падения напряжения — было существенно подавлено.

С точки зрения электрохимии, новая технология позволила ограничить потери напряжения после 200 циклов показателем всего 0,150 вольт. Это значительное улучшение по сравнению со всеми имеющимися аналогами LRLO. Ученые убеждены, что предложенный принцип «атомосберегающего» легирования может стать общим стандартом при проектировании высокоэнергетических катодов для различных типов оксидных систем, приближая эру доступных и долговечных электромобилей с большим запасом хода.