Ученые ДВФУ нашли способ удвоить емкость аккумуляторов: смартфоны и электромобили будут работать вдвое дольше
Исследователи Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) совместно с коллегами из российских и зарубежных научных центров совершили прорыв в области литий-ионных батарей. Им удалось увеличить емкость катодного материала в два раза, при этом полностью сохранив его ресурс после многократных циклов зарядки и разрядки. Это означает, что будущие батареи для смартфонов, ноутбуков и электромобилей смогут работать вдвое дольше без подзарядки и не будут быстро изнашиваться. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Composites Science.
Главная проблема современных аккумуляторов — катод, от которого напрямую зависит энергоемкость батареи. Один из самых перспективных материалов для катодов, фосфат ванадия лития, обладает высокой теоретической емкостью и безопасен в использовании. Однако у него есть серьезный недостаток: он очень плохо проводит электрический ток. Из-за этого батареи на его основе не могут быстро отдавать энергию и теряют емкость после нескольких десятков циклов зарядки.
Чтобы решить эту проблему, ученые синтезировали материал с углеродным покрытием, используя обычную лимонную кислоту в качестве источника углерода. Процесс напоминает выпечку: исходную смесь нагревали в печи в атмосфере аргона при температурах от 700 до 1000°C. Метод золь-гель-синтеза позволил получить однородный материал с частицами нанометрового размера. Лучший результат показал образец, нагретый до 900°C: его удельная емкость составила 114 мА·ч/г — ровно в два раза больше, чем у образцов с меньшим содержанием углерода.
«Нам удалось повысить емкость без потери ресурса. Обычно, когда пытаются улучшить один параметр батареи, страдает другой. Здесь же мы получили и удвоение емкости, и 100-процентное сохранение после 25 циклов», — комментирует один из авторов исследования, кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатории ядерных технологий ДВФУ Олег Шичалин.
Эффективность материала объясняется идеальной кристаллической структурой, которая формируется при нагреве до 900°C. Углерод создает тонкую защитную оболочку вокруг каждой частицы, которая одновременно решает две задачи: отлично проводит электричество и защищает материал от агрессивного воздействия электролита. В результате ионы лития легко проникают внутрь, электроны быстро перемещаются, а катод не разрушается со временем. При более низких температурах кристаллы получаются несовершенными, а при более высоких — частицы слипаются, снижая полезную поверхность. Недостаток углерода приводит к тому, что защитная оболочка становится рваной, и материал быстро окисляется.
Фосфат ванадия лития известен ученым давно, но его плохая проводимость мешала использованию в реальных батареях. Теперь исследователи нашли простой и дешевый способ решить эту проблему, подобрав правильную температуру и точное количество лимонной кислоты. Метод легко масштабировать для промышленного производства: он не требует сложного оборудования или дорогих материалов. В ближайшем будущем производители смогут выпускать батареи, которые будут работать вдвое дольше без подзарядки и служить годами без потери емкости. Такие аккумуляторы востребованы везде: от смартфонов и ноутбуков до электромобилей и систем хранения энергии солнечных батарей.
В работе принимали участие ученые из лаборатории электрохимических источников энергии Сахалинского государственного университета, Дальневосточного федерального университета, Дальневосточного геологического института ДВО РАН, Московского центра перспективных исследований, Пермского национального исследовательского политехнического университета, центра перспективных технологий XPANCEO (Дубай), а также Кольского научного центра РАН.
Научные открытия стали возможны благодаря развивающейся инфраструктуре кампуса ДВФУ. В 2024 году по поручению президента России Владимира Путина университет вошел в программу строительства кампусов мирового уровня в рамках национального проекта «Молодежь и дети». Вторая очередь кампуса ДВФУ будет включать комплекс общежитий на 4000 человек. К 2030 году в стране появится 25 новых университетских кампусов. Работу по данному направлению ведут правительство РФ и Минобрнауки России.
