Сотрудники Кольского научного центра и Сахалинского государственного университета провели комплексное исследование перспективного соединения лития, кобальта и марганца, которое теоретически способно обеспечить рабочее напряжение выше 5 В при сохранении приемлемой удельной ёмкости аккумулятора.

Литий-ионные аккумуляторы сегодня являются одним из основных способов хранения электричкой энергии. Они находятся почти в каждом ноутбуке, смартфоне и электромобиле. Именно этот тип обычно используются в крупных промышленных системах хранения энергии. Традиционно используемый в таких аккумуляторах в качестве материала катода оксид лития-кобальта несмотря на хорошие электрохимические характеристики, обладает рядом существенных недостатков. Среди них — относительно высокая стоимостью и склонностью к перегреву. Последнее делает батареи сотовых телефонов потенциально опасным, а если речь идёт о более крупных системах хранения энергии, то риск возрастает ещё больше.

Альтернативные материалы катода (например, литий-марганцевая шпинель или соединения лития и никеля) либо демонстрируют достаточно быстрое падение ёмкости с каждым циклом зарядки-разрядки, либо требуют достаточно сложных условий синтеза. Это делает такие решения дорогими, и они не могут экономически конкурировать с существующим подходом к производству литий-ионных батарей. Существует также решение на основе соединений лития железа и фосфора (LiFePO₄), но удельная электрическая ёмкость таких батарей и напряжение аккумуляторов гораздо ниже, и они не смогут покрыть потребности современной промышленности.

Поэтому особый интерес представляют сложные оксидные соединения лития и переходных металлов, сочетающие в себе высокое рабочее напряжение и достаточную стабильность ёмкости аккумулятора при многократных циклах заряда-разряда. Сотрудники Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева Кольского научного центра РАН (Апатиты) и Сахалинского государственного университета (Южно-Сахалинск) провели комплексное исследование перспективного соединения Li₂CoMn₃O₈, которое теоретически способно обеспечить рабочее напряжение выше 5 В при сохранении приемлемой удельной ёмкости. Статья об этом вышла в Российском журнале неорганической химии. Основная проблема, с которой столкнулись исследователи, заключалась в сложности существующих методов синтеза этого материала. Обычно это сложный и многостадийный процесс, требующий длительной высокотемпературной обработки и сложного оборудования, что делало производство энергоёмким и экономически невыгодным.

Исследователи предложили оригинальный комбинированный подход, объединивший преимущества золь-гель технологии и твердофазного синтеза. На первом этапе из смеси растворов хлоридов кобальта и марганца в соотношении 1:3 в щелочной среде, создаваемой избытком гидроксида лития, осаждались гидроксиды металлов. Ключевой особенностью метода стало использование гипохлорита натрия в качестве окислителя. Это доступный и относительно дешёвый реагент, позволивший перевести ионы кобальта и марганца в более высокие степени окисления при комнатной температуре. Последующая гидродинамическая обработка суспензии при 90 °C способствовала формированию промежуточных оксогидроксидных соединений, а окончательная кристаллизация целевого материала происходила в процессе умеренного отжига при 500 °C в течение всего одного часа.

Изучения условий синтеза на свойства конечного продукта позволило выявить интересные закономерности. Оказалось, что для получения чистого однофазного Li₂CoMn₃O₈ критически важно соблюдение оптимального соотношения лития к сумме переходных металлов — 2,5:1, а также достаточное время гидродинамической обработки (два с половиной часа). Отклонение от этих параметров приводило либо к образованию побочных фаз (LiCoMnO₄ или Co₃O₄), либо к ухудшению электрохимических характеристик материала.

Полученные в результате такого подхода образцы катодного материала были подвергнуты комлексному анализу для подтверждения его свойств. Рентгенофазовый анализ подтвердил формирование целевой кристаллической структуры, а данные сканирующей электронной микроскопии показали, что материал состоит из наноразмерных частиц (40-60 нм), склонных к образованию более крупных агрегатов. Особое внимание было уделено изучению электрофизических свойств с помощью импедансной спектроскопии. Результаты оказались впечатляющими: образец Li₂CoMn₃O₈, синтезированный в оптимальных условиях, продемонстрировал удельную ионную проводимость, вдвое превышающую показатели материала, полученного при менее благоприятных соотношениях компонентов.

Не менее важной частью работы стала разработка экологически ориентированной технологической схемы, предусматривающей замкнутые циклы использования реагентов. Предложенная система синтеза Li₂CoMn₃O₈ позволяет возвращать в производственный процесс ценные компоненты, значительно снижая объёмы отходов. Разработанный подход не только уменьшает экологическую нагрузку, но и повышает экономическую эффективность процесса, делая перспективным его масштабирование для промышленного применения.

Полученные результаты открывают новые возможности для создания литий-ионных аккумуляторов следующего поколения с улучшенными характеристиками. Катодный материал Li₂CoMn₃O₈, сочетающий высокое рабочее напряжение, хорошую ионную проводимость и относительную простоту синтеза, может стать достойной альтернативой существующим аналогам. Особенно в мощных аккумуляторных системах для стационарных накопителей энергии, а также электромобилей. Дальнейшие исследования будут направлены на оптимизацию морфологии материала для улучшения его электрохимических свойств, а также на оценку экологической безопасности на всех этапах жизненного цикла. Успешная промышленная реализация предложенного метода синтеза катодного материала Li₂CoMn₃O₈ может внести существенный вклад в развитие отечественной индустрии аккумуляторов и снижение зависимости от импортных технологий.

Источник: пресс-служба Минобрнауки России.