Катодное покрытие дало вторую жизнь литий-ионным батареям

В Аргоннской Национальной Лаборатории (США) разработано новое покрытие из перспективного полимера PEDOT. Оно покрывает каждую отдельную частицу катода в литий-ионной батарее, продлевая срок ее службы.

Концепты батарей, призванных заменить литий-ионные аккумуляторы, разрабатываются постоянно, и новые по характеристикам лучше своих предшественников. Но все они пока остаются только экспериментальными — литий-ионные батареи свои позиции сдавать не собираются. Тем более что ученые продолжают расширять их возможности: теперь исследователи создали новое катодное покрытие. Благодаря ему литий-ионные батареи станут безопаснее, а срок их службы увеличится, то есть покрытие практически нивелирует их основные недостатки. Результаты разработки появились в Advanced Energy Materials и в Nature Energy.

Проблема нынешних литий-ионных аккумуляторов — выделение катодом кислорода при высоком напряжении и окисление электролита

Одна из больших проблем литий-ионных батарей — это способность катода при высоком напряжении выделять кислород, окисляя электролит. Тем самым создается нежелательная пленка на катоде и происходит потеря энергии. Высокие температуры увеличивают скорость этих реакций, ставя под угрозу электрохимические характеристики самой батареи.

Чтобы уйти от этой проблемы, в большинстве современных литий-ионных батарей используется специальное катодное покрытие, которое уменьшает описанный эффект. Но, увы, оно тоже снижает эффективность аккумулятора, так как замедляет диффузию ионов лития. И это лишь частичное покрытие, закрывающее небольшую долю внешней части катода и не защищающее его при работе при высоком напряжении или при температуре — в этих условиях падение мощности батареи может продолжаться.

Чтобы полностью уйти от этой проблемы, исследователи из Аргоннской национальной лаборатории совместно со специалистами Гонконгского университета науки и технологии занялись поиском альтернативных покрытий — это должно было помочь продлить срок службы батарей.

В ходе исследования были изучены металлические оксиды никеля, марганца и кобальта. В итоге команда ученых остановилась на перспективном проводящем полимере — полиэтилендиокситиофене (PEDOT). Покрытие из него позволяет совершить прорыв в технологии литий-ионных аккумуляторов , так как он целиком и полностью защищает каждую частицу катода — внутри и снаружи — от нежелательных реакций с электролитом.

PEDOT наносили методом окислительного химического осаждения из паровой фазы, поэтому он закрывал все частицы катода. Этим он отличается от других покрытий, которые лишь частично закрывали катод. В то же время новое покрытие облегчает транспортировку ионов лития и электронов в катод и обратно, повышая энергию батареи.

Новое катодное покрытие из полимера PEDOT полностью защищает катод от реакций с электролитом в отличие от традиционных покрытий. Изображение: Argonne National Laboratory

Ученые выяснили, что новое покрытие способно повысить рабочее напряжение литий-ионной батареи до 4,6 В (сейчас оно составляет 4,2 В). Это, в свою очередь, снизит стоимость аккумуляторов и продлит срок их службы.

«Это невероятное достижение, — говорит Халил Амин, один из авторов разработки. — Оно способно привнести серьезные положительные сдвиги в наш опыт работы с привычными устройствами. Это увеличит запас хода электромобилей, а также время автономной работы смартфонов и ноутбуков, что в конечном итоге изменит наш образ жизни».