Фото: Материалы для хранения энергии (2023 г.). DOI: 10.1016/j.ensm.2023.103051

Исследовательская группа, состоящая из Национального института материаловедения (NIMS) и корпорации SoftBank, обнаружила, что гистерезис напряжения в Li₂RuO₃ — катодном материале перезаряжаемой батареи с высокой плотностью энергии — вызван различиями в образовавшихся промежуточных кристаллических фазах (во время процессов зарядки и разрядки). Исследование опубликовано в Energy Storage Materials.

Гистерезис напряжения – это явление, вредное для литий- ионных аккумуляторов, в котором напряжение разряда становится значительно ниже напряжения заряда. Эти результаты выявили механизм возникновения гистерезиса напряжения, несовместимый с традиционной теорией.

Богатые литием электродные материалы способны хранить большие количества ионов Li, чем катодные материалы обычных литий-ионных аккумуляторов (например, LiCoO₂), и ионы Li могут стабильно извлекаться из них и вводиться в них. Кроме того, энергоемкость этих материалов (>300 мАч/г) примерно в два раза выше, чем у обычных катодных материалов.

Из-за этих желательных характеристик электродные материалы с высоким содержанием лития были исследованы как жизнеспособные кандидаты на роль катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов следующего поколения с высокой плотностью энергии. Однако у них есть и недостаток: низкая энергоэффективность заряда/разряда из-за большого гистерезиса напряжения, возникающего во время заряда и разряда.

В научном сообществе широко признано, что гистерезис напряжения в электродных материалах с высоким содержанием лития возникает в результате необратимых изменений их кристаллических структур во время заряда и разряда. Эта исследовательская группа сосредоточила свое внимание на Li2RuO3 как на модельном электродном материале с высоким содержанием лития и внимательно наблюдала изменения в его кристаллической структуре во время его зарядки и разрядки.

Было обнаружено, что его кристаллическая структура изменяется обратимо, а не необратимо: к концу последующего разряда он восстанавливает свою первоначальную кристаллическую структуру до заряда. Во время этого цикла заряда/разряда в Li₂RuO₃ наблюдался гистерезис напряжения, несмотря на отсутствие необратимых изменений кристаллической структуры, что противоречит общепринятой теории.

Затем команда тщательно проанализировала изменения кристаллической структуры электрода Li₂RuO₃ во время его зарядки и разрядки с использованием различных современных аналитических инструментов. Эти анализы выявили несоответствие в промежуточной кристаллической фазе, образующейся в ходе процессов заряда и разряда, вызывающее гистерезис напряжения. Другими словами, гистерезис напряжения в электродном материале с высоким содержанием лития, по-видимому, объясняется различными путями реакции, а не необратимыми изменениями кристаллической структуры.

Основываясь на этих результатах, исследовательская группа планирует оценить электродные материалы с высоким содержанием лития, сосредоточив внимание на путях химических реакций во время циклов зарядки и разрядки в дополнение к измерению гистерезиса напряжения. Ожидается, что этот подход ускорит разработку электродных материалов с высоким содержанием лития, которые будут удовлетворять требованиям как высокой емкости, так и высокой энергоэффективности заряда/разряда.