Исследователи разработали устойчивую литий-ионную батарею с использованием марганца, которая может произвести революцию в индустрии электромобилей.
Опубликованное в ACS Central Science исследование подчеркивает прорыв в использовании наноструктурированного LiMnO 2 с моноклинной симметрией для улучшения производительности и стабильности аккумулятора без типичного спада напряжения. Это нововведение не только улучшает возможности быстрой зарядки, но и решает давнюю проблему растворения марганца.
Литий-ионные аккумуляторы на основе марганца
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), основаны на никеле (Ni) и кобальте (Co), что может быть дорогим и неустойчивым для общества с растущим спросом на ЭМ. Заменяя материалы положительного электрода на материал на основе лития/марганца, исследователи стремятся сохранить высокую производительность материалов на основе Ni/Co, но с низкой стоимостью и устойчивым изменением.
Исследователи опубликуют свои результаты сегодня (26 августа) в журнале ACS Central Science
В настоящее время аккумуляторы, используемые для питания электромобилей (ЭМ), основаны на никеле (Ni) и кобальте (Co), что может быть дорогим и неустойчивым для общества с растущим спросом на ЭМ. Заменяя материалы положительного электрода на материал на основе лития/марганца, исследователи стремятся сохранить высокую производительность материалов на основе Ni/Co, но с низкой стоимостью и устойчивым изменением.
Исследователи опубликуют свои результаты сегодня (26 августа) в журнале ACS Central Science
Инновации в электродных материалах
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 высокой площадью поверхности был напрямую синтезирован с использованием простой твердотельной реакции», — сказал Наоаки Ябуучи, автор и исследователь исследования.
Прорыв в моноклинных структурах LiMnO2
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, который допускает моноклинный домен, эксплуатационные характеристики электрода были бы ограничены из-за неоптимальной кристаллической структуры LiMnO 2 и сопутствующих фазовых переходов.
Повышение производительности аккумулятора электромобиля
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.
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.
Стабильность и долговечность наноструктурированного LiMnO2
Также не сообщается о спаде напряжения при использовании наноструктурированного LiMnO 2 , что является обычным явлением 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 LiMnO 2 , который является предметом исследования.
Решение практических задач
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 выводы будут способствовать созданию более устойчивого источника энергии, чем ископаемое топливо, особенно в отношении электромобилей. Характеристики LiMnO 2 с его конкурентоспособной плотностью энергии по сравнению с материалами на основе никеля демонстрируют 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 LiMnO 2 будет включать коммерциализацию и промышленное производство в индустрии роскошных электромобилей.
Исследователи надеются, что их выводы будут способствовать созданию более устойчивого источника энергии, чем ископаемое топливо, особенно в отношении электромобилей. Характеристики LiMnO 2 с его конкурентоспособной плотностью энергии по сравнению с материалами на основе никеля демонстрируют 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 LiMnO 2 будет включать коммерциализацию и промышленное производство в индустрии роскошных электромобилей.
В исследовании приняли участие Юка Мияока, Юна Огуро, Ёсукэ Угата и Наоаки Ябуучи с кафедры химии и наук о жизни Йокогамского национального университета, а также Ёсукэ Угата и Наоаки Ябуучи из Исследовательского центра передовой химической энергетики Йокогамского национального университета, Такахито Сато с кафедры прикладной химии Токийского университета Денки, Саяка Кондо, Коки Накано и Масанобу Накаяма из Научно-исследовательского института по передовым материалам Нагойского технологического института, Дамиан Гунетиллеке и Нирадж Шарма из Школы химии Университета Нового Южного Уэльса, Алексей М. Глушенков из Исследовательской школы химии Австралийского национального университета , Сатоши Хирои и Кодзи Охара с факультета материалов для энергетики Университета Симанэ, Кодзи Такада и Ясухиро Фудзии из Tosoh Corporation.
JSPS, Грант на научные исследования, JST, Программа MEXT: Проект по исследованию и разработке материалов для создания и использования данных, JST Создание устойчивых партнерств для экосистемы инновационных исследований (ASPIRE), Программа JST «Зеленые технологии для совершенства» (GteX), Австралийский исследовательский совет, Консультативный комитет программы «Фотонная фабрика», Японский научно-исследовательский институт синхротронного излучения (JASRI), Центр синхротронного излучения Айти, Австралийская организация ядерной науки и технологий (ANSTO) сделали это исследование возможным.
Источник: Scitechdaily | Теги: литий-ионные аккумуляторы, марганец, электромобили