Развитие собственного производства литий-ионных аккумуляторов — одна из ключевых задач в технологической повестке России. Несмотря на большие запасы лития, объёмов производства литий-ионных аккумуляторов в стране на сегодняшний день недостаточно. Особенно остро стоит вопрос создания аккумуляторов с высокой плотностью энергии для использования в электромобилях. Свой вклад в решение проблемы вносят представители как индустрии, так и науки. В новом исследовании учёные из Сколтеха совместно с коллегами из Франции, Китая и других стран впервые смогли определить роль кобальта и никеля в электрохимических свойствах катодных материалов, необходимых для производства аккумуляторов. Работа опубликована в журнале Nature Materials.
В современных литий-ионных аккумуляторах в качестве материала одного из электродов используются слоистые оксиды лития, никеля, марганца и кобальта. Никель, марганец и кобальт принадлежат к одному классу — 3d-переходных металлов, поэтому их электронная структура и химические свойства схожи между собой. Поскольку они абсолютно равномерно перемешаны в кристаллической структуре слоистых оксидов, разделить их вклад в электрохимические свойства катодного материала очень трудно.
Для решения задачи разделения роли никеля и кобальта учёные получили два модельных соединения — оксид лития-никеля-марганца и оксид лития-кобальта-марганца — и затем провели комплексное исследование их структуры, состава и электрохимических свойств. С помощью комбинированных исследований данных систем различными спектроскопическими и электрохимическими методами, а также просвечивающей электронной микроскопией высокого разрешения исследователи представили результаты их сопоставления по нескольким параметрам: локальная атомная структура материалов, её эволюция в процессе работы электрохимической ячейки и взаимосвязь наблюдаемых явлений с возникновением механических напряжений, кинетикой (де)интеркаляции лития, кинетикой окислительно-восстановительных процессов и так далее.
«Мы провели исследование на уникальном оборудовании Центра коллективного пользования „Визуализация высокого разрешения“ в Сколтехе. С его помощью мы изучили атомную структуру материалов для литий-ионных аккумуляторов. Нашей задачей было получить данные об эволюции локальной кристаллической структуры материалов при электрохимическом циклировании. Подготовка образца, работа непосредственно с оборудованием и интерпретация результатов требуют очень большой аккуратности и точности», — рассказал соавтор работы Анатолий Морозов, младший научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха.
