Новое покрытие для литиевых батарей

Создание лучшей ионно-литиевой батареи требует одновременного решения множества проблем: от сохранения электрической и ионной проводимости катода батареи до обеспечения безопасности батареи после многих циклов.

В новом открытии ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США разработали новое катодное покрытие с использованием метода окислительного химического осаждения из паровой фазы, который может помочь решить эти и несколько других потенциальных проблем с литий-ионными батареями.

В ходе исследования ученые взяли частицы новаторского катодного материала никеля-марганца-кобальта (NMC) и заключили их в капсулу с серосодержащим полимером, названным PEDOT. Этот полимер обеспечивает катоду слой защиты от электролита батареи, поскольку батарея заряжается и разряжается.

В отличие от обычных покрытий, которые защищают только внешнюю поверхность катодных частиц микронного размера и оставляют внутреннюю часть уязвимой для растрескивания, покрытие PEDOT обладает способностью проникать внутрь катодной частицы, добавляя дополнительный слой экранирования.

Кроме того, хотя PEDOT предотвращает химическое взаимодействие между батареей и электролитом, он обеспечивает необходимую транспортировку ионов лития и электронов, которые требуются батарее для функционирования.

«Это покрытие по существу дружественно ко всем процессам и химическому составу, которые заставляют батарею работать, и недружественно ко всем потенциальным реакциям, которые могут привести к ее разрушению или сбоям в работе», — сказал химик Гуйлян Сю, первый автор исследования.

Покрытие также в значительной степени предотвращает другую реакцию, которая вызывает дезактивацию катода батареи. В этой реакции материал катода превращается в другую форму, называемую шпинелью. «Сочетание образования шпинели практически без образования других свойств делает это покрытие очень интересным материалом».

Материал PEDOT также продемонстрировал способность предотвращать выделение кислорода, что является основным фактором разрушения катодных материалов NMC при высоком напряжении.

Исследователи полагают, что с нанесенным покрытием аккумуляторы, содержащие NMC, могут работать при более высоких напряжениях, увеличивая тем самым выход энергии, или иметь более длительный срок службы, либо и то, и другое.

Gui-Liang Xu et al, Building ultraconformal protective layers on both secondary and primary particles of layered lithium transition metal oxide cathodes, Nature Energy (2019).DOI: 10.1038/s41560-019-0387-1