Технологии завтрошнего дня

Авторы изобретения в статье, вышедшей в журнале Nature, пишут, что основу разработки составляет материал - смешанный фосфат лития и железа, LiFePO4, давно вошедший в практику разработки литиевых аккумуляторов. Новые свойства этому материалу ученые смогли придать, получив его в форме наноразмерных гранул, покрытых тонким слоем стеклоподобного материала на основе фосфата лития.

Эти меры позволили значительно облегчить переход ионов лития в кристаллическую структуру и обратно, делая процесс полной перезарядки аккумулятора вопросом нескольких секунд.

Принцип действия литиевых аккумуляторов основан на том, как ионы лития, содержащиеся в материале положительного электрода - анода, выходят из его структуры и мигрируют к катоду, где оказываются связаны слабыми химическими связями, через слой литиевого электролита, не пропускающего электрический ток.

В традиционных аккумуляторах процессы переноса ионов между электродами идут очень медленно, то есть даже если аккумулятор позволяет запасать большое количество электроэнергии, он не может отдать ее всю сразу. Это обстоятельство очень мешает разработчикам электромобилей.

"Автомобильные аккумуляторы могут запасать большое количество энергии, водитель может в течение долгого времени поддерживать скорость машины на уровне 90 километров в час, но быстро тронуться с места такой автомобиль не сможет", - приводит слова ведущего автора разработки Джербранда Седера (Gerbrand Ceder) пресс-служба Массачусетского технологического института.

Долгое время ученые считали, что такое ограничение обусловлено медленным транспортом ионов лития внутри материала анода к поверхности, преодолеть которое можно, оптимизируя кристаллическую структуру катодных материалов.

Однако несколько лет назад авторы статьи обнаружили, что на самом деле ионы лития внутри смешанного фосфата лития мигрируют по специальным каналам с большой скоростью, а скорость разряда и заряда батарей на основе этого анодного материала лимитируется вероятностью попадания иона лития с поверхности внутрь такого канала в кристаллической структуре.

Седер и его коллеги сумели в одном процессе объединить получение смешанного фосфата лития-железа в форме наноразмерных гранул с очень развитой поверхностью, и покрытие их стеклоподобным фосфатом лития, служащим проводником для ионов лития.

Еще одним достоинством материала является полное отсутствие деградации в ходе многочисленных циклов зарядки и разряжения аккумулятора, что открывает самые широкие перспективы его применения.

До сих пор фосфат лития-железа не имел широкого распространения из-за большего веса, чем у более распространенного катодного материала на основе кобальта.