Литий-ионные батареи с литий-титанатными наночастицами

Сверхбыстрый заряд литий-ионных батарей с литий-титанатными наночастицами

Как правило, литий-ионные батареи содержат катод из оксида лития-кобальта и анод из углерода. Однако, потребители продолжают требовать, чтобы электронные устройства были меньше, легче, быстрее заряжались и медленнее расходовали заряд, нежели их предшественники. Дабы не отставать от этих требований, в настоящее время проводятся обширные исследования в области материалов для аккумуляторов.

Анодные и катодные материалы для литий-ионных батарей являются предметом обширных исследований во всем мире. Микрокристаллический Li4Ti5O12 (LTO – литий-титанат) долгое время считался перспективным материалом анода для литий-ионных батарей из-за его высокой стабильности и хорошей цикличности, но области его применения были ограничены низкой ионной и электронной проводимостью.

В новом докладе, опубликованном в Nature Communications, описывается работа коллаборации исследователей из Франции и Польши, которые подготовили новый иерархически наноструктурированный материал типа литий-титаната с исключительными электрохимическими характеристиками и возможностью обеспечения сверхбыстрой зарядки литий-ионных батарей.

Наноструктурированный LTO, описанный исследователями, был подготовлен с использованием сольвотермического метода, который включал в себя применение тепла и давления к раствору солей лития и титана. Синтезы наноструктурированных LTO-материалов ранее описывались в литературе, но в большинстве были описаны весьма сложные его пути - дорогие или непригодные для крупномасштабного синтеза. Команда исследователей описывает свой метод синтеза как «недорогой и масштабируемый», что означает, что их материалы могут быть изготовлены в больших количествах для включения в коммерческие батареи.

Электронная микроскопия подтвердила, что LTO-материал самоорганизуется в иерархическую структуру с наночастицами 4-8 нм во время синтеза. Предполагается, что наноструктурирование LTO улучшает электрохимические характеристики за счет обеспечения контролируемой пористости, обеспечивающей эффективное проникновение электролита и минимальные расстояния диффузии ионов лития во время зарядки и разрядки. Команда проверила электрохимические характеристики своего литий-титаната, который показал отличную производительность.

Литий-титанат продемонстрировал стабильную емкость 170 мАч g-1 после 1000 циклов зарядки / разрядки при скорости тока 50C, близкой к теоретической емкости LTO при 175 мАч g-1. Кроме того, производительность 99 мАч g-1 была достигнута, когда материал был подвергнут чрезвычайно быстрому зарядовому току на 500С с последующим разрядом при 50С. Это говорит о том, что литий-титанатные аккумуляторы способны к сверхбыстрой зарядке.

Хотя рентгеноструктурный анализ показал, что материал был высококристаллическим литий-титанатом, поверхностный элементный анализ показал, что в материале было меньше ионов лития, чем ожидалось. Команда объяснила это релаксацией поверхностной структуры наночастиц, что привело к увеличению экспозиции ионов титана на поверхности и уменьшению экспозиции ионов лития. Литий-дефицитная структура на поверхности наночастиц может способствовать введению и экстракции ионов лития во время зарядки и разрядки.

Команда предполагает, что сочетание наноструктуры, микроструктуры и нестехиометрии привело к исключительным электрохимическим характеристикам их LTO-материала. Дальнейшая оптимизация даст возможность литий-титанатным батареям найти свое место в коммерческих продуктах и обеспечивать сверхбыструю зарядку для персональной электроники.

Автор: Emily Nordvang, Azonano, 31 мая 2017

http://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=4501

Перевод: Иван Симонов