Ученые из Университета Антиокии и Технологического университета Чоко в Колумбии разработали технологию создания катодов для литий-ионных аккумуляторов и собрали полноценные батареи формата 18650, которые используются в электронике и электромобилях. Для этого они поработали с двумя типами материалов: литий-железо-фосфатом с углеродным покрытием и литий-обогащенным оксидом никеля и марганца. Катод может формировать до половины стоимости аккумулятора, во многом определяет его характеристики и срок службы, поэтому такая разработка имеет высокое значение.
Главная идея исследования состояла в том, чтобы оптимизировать катод не только на химическом уровне, но и на уровне его структуры и сборки. Катод делают из специальной суспензии – смеси активного материала, связующего полимера и проводящих добавок, которые, по сути, превращаются в рабочий слой аккумулятора. Если в этой смеси нарушен баланс, электрод начинает работать хуже: избыток связующего или углеродной добавки может перекрывать поры и мешать движению ионов лития. Слишком рыхлая структура, наоборот, ухудшает контакт между частицами и снижает проводимость.
Поэтому ученые подбирали не только состав, но и физические параметры – толщину слоя и его плотность после сжатия. Они протестировали 13 различных вариантов состава и показали, что оптимальная структура должна быть достаточно плотной, чтобы частицы хорошо контактировали друг с другом, но при этом сохранять пористость, через которую свободно проходят ионы. Именно такой баланс позволяет аккумулятору эффективно накапливать и отдавать энергию.
После этого исследователи изготовили полноценные электроды и начали проверять, как они ведут себя в реальных условиях. Сначала оценили их механические свойства: насколько они прочные, не трескаются ли при изгибе и хорошо ли держатся на металлической основе, на которую они нанесены. Это важно, потому что в готовом аккумуляторе слои постоянно испытывают нагрузки и не должны отслаиваться или разрушаться.
Затем из этих электродов собрали аккумуляторы формата 18650 и протестировали их при разных режимах зарядки и разрядки – от медленных до более интенсивных.
Результаты показали заметную разницу между двумя типами материалов. Катоды на основе литий-обогащенного оксида никеля и марганца давали более высокую начальную емкость – до 260 мА·ч на грамм, то есть могли запасать больше энергии, чем литий-железо-фосфат. Но при многократных циклах зарядки и разрядки такие аккумуляторы быстрее теряли свои свойства. В то же время катоды на основе литий-железо-фосфата с углеродным покрытием работали гораздо стабильнее и дольше сохраняли ресурс.
В дальнейшем ученые планируют сосредоточиться на повышении стабильности литий-обогащенного оксида никеля и марганца. Для этого они предлагают несколько подходов: менять его состав за счет добавок других элементов, наносить защитные покрытия на частицы и подбирать новые составы электролита, которые уменьшают разрушение структуры при работе.
