- Команда во главе с профессором Ом Кван Сопа использует оксид ванадия высокой емкости в качестве анодного материала
- Ей удалось повысить энергоемкость литиевой батареи на 50%
Зарядка электромобиля [123RF]
[HERALD BUSINESS = корреспондент Ку Бон Хёк] Южнокорейские ученые разработали технологию, которая может увеличить пробег электромобилей примерно в 1,5 раза на одной зарядке.
Исследовательская группа под руководством профессора Ом Кван Сопа из Отдела разработки новых материалов Института науки и технологий Кванджу (GIST) разработала литий-металлическую батарею, чья емкость на 50 процентов больше, чем существующие аналоги. В ней используется оксид ванадия большой емкости в качестве катодного материала.
В литиевой батарее, используемой в электромобилях, графитовый анод заменяется анодом из металлического лития. Она считается батареей следующего поколения, потому что она легкая, имеет большую емкость благодаря металлического литиевого анода и имеет низкий окислительно-восстановительный потенциал.
В настоящее время во многих исследованиях используются оксиды кобальта (Co), никеля (Ni), марганца (Mn) и железа (Fe) в качестве катодных материалов литиевых батарей, но, поскольку было установлено, что емкость существующих катодных материалов достигла своего предела, есть ограничения в улучшении энергии литиевых аккумуляторов и, соответственно, в увеличении пробега электромобиля на одной зарядке.
Чтобы реализовать литиевую батарею более высокой емкости, необходимо разработать новый катодный материал, который способен сохранить свой характеристики даже в толстых электродах коммерческого назначения.
Исследовательская группа под руководством профессора Ом Кван Сопа разработала литиевую батарею, чья емкость примерно в 1,5 раза выше, чем у существующей батареи, используя оксид ванадия - не содержащий лития - в качестве катодного материала.
Профессор Ом Кван Соп (справа) и аспирант Шим Ки Ён [Предоставлено Gist]
Катодный материал из оксида ванадия имеет теоретическую емкость в 294 мАч/г, что примерно в 1,5-2 раза выше, чем у обычного катодного материала из оксида переходного металла (140 мА/г~200 мА/г), но он не может быть коммерциализирован из-за его низких стабильности и ионно-электронной проводимости.
Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа разработала катодный материал из оксида ванадия со слоистой наноструктурой, на которую ламинируются нанопластины. Для этого они применили новый метод синтеза, который добавляет ингибитор роста кристаллов, к существующему гидротермальному синтезу, а затем выполнили термическую обработку.
Разработанный материал на основе оксида ванадия эффективно обеспечивает быстрый путь движения ионов лития в структуре и уменьшает расстояние перемещения ионов лития, тем самым обеспечивая высокую емкость даже в условиях быстрых зарядных и разрядных токов. Кроме того, надежная иерархическая наноструктура позволяет поддерживать структуру во время зарядки и разрядки.
Разработанный катодный материал показал увеличенную в 1,5–2 раза энергоемкость по сравнению с существующим, одномерным наноструктурированным оксидом ванадия. Кроме того, в то время как в условиях быстрого заряда и разряда создается большое сопротивление, что приводит к быстрому уменьшению емкости, новоразработанный материал показал меньшее снижение своей емкости даже при быстрой скорости заряда и разряда благодаря уменьшенному диффузионному расстоянию и увеличенной скорости диффузии.
Обложка международного научного журнала Small от 4 января, где опубликованы результаты данного исследования [Предоставлено Gist]
Литиевая батарея, изготовленная из новоразработанного катодного материала, сохранила около 80% своей первоначальной емкости даже после 100 раз зарядки и разрядки - в отличие от большинства существующих наноленточных структур из оксида ванадия (в среднем менее 60%).
Исследовательской группе удалось создать высокопроизводительную литиевую батарею, объединив разработанный катодный материал и металлический литий-анод в единый элемент. Аккумулятор смог сохранить производительность благодаря уникальной структуре катодного материала даже при электродах с увеличенной толщиной и показал высокую удельную плотность 592 Втч/кг в расчете на вес обоих электродов.
Это 50%-ное (в 1,5 раза) улучшение по сравнению с обычными литий-ионными батареями. Также ожидается, что за счет оптимизации электролита и упаковочных материалов аккумулятора в будущем он сможет вырабатывать более 400 Втч/кг, что составляет 140-150% от 280 Втч/кг – самый высокий показатель удельной мощности (энергии на единицу веса), полученный от одного элемента обычных литий-ионных аккумуляторов.
«Этот результат исследования продемонстрировал важность катодных материалов большой емкости, не содержащих лития, в разработке высокоэнергетических литий-металлических батарей нового поколения, а также новые возможности в части обеспечения скорости электрохимической реакции за счет наноструктурирования катодных материалов» - сказал профессор Ом.
Данное исследование попало на обложку международного научного журнала Small от 4 января.
nbgkoo@heraldcorp.com