Новый катод на основе марганца для Li-ion батарей

Литий-ионные аккумуляторы (LiB) остаются наиболее распространенным типом перезаряжаемых батарей в мире, обеспечивая энергией большинство портативных электронных устройств и электромобилей. Однако их катодные материалы часто основаны на никеле (Ni) и кобальте (Co), добыча которых наносит ущерб окружающей среде, требует больших затрат воды и оставляет значительный углеродный след. Кроме того, добыча кобальта нередко связана с небезопасными условиями труда и детским трудом.

В поисках более экологичных и безопасных альтернатив, исследователи из Университета Ханьян и других институтов разработали новый катод с высоким содержанием марганца (Mn-rich). Этот материал обладает квазиупорядоченной кристаллической структурой, которая обеспечивает стабильность и высокую энергоемкость LiB, сравнимую с современными никель-кобальтовыми аналогами.

"Растущий спрос на высокоэнергетические литий-ионные аккумуляторы для электрификации личного транспорта может привести к неопределенности в глобальных поставках сырья (Co и Ni)", – отмечают авторы исследования. "Мы предлагаем новый состав на основе марганца, который имеет квазиупорядоченную структуру с двумя ранее не наблюдавшимися последовательностями перемешанного упорядочения катионов".

Исследование, опубликованное в журнале Nature Energy, демонстрирует, что частично упорядоченная структура стабилизирует катод при высоком напряжении, ограничивая структурные изменения до 1% по осям a и c. Это позволяет катоду работать при 4.6 В, сохраняя сопоставимую с Ni-rich катодами обратимую емкость. Кроме того, высокая емкость поддерживается при длительных циклах и высоких напряжениях в полномасштабных ячейках, демонстрируя исключительную термическую безопасность.

Эти результаты открывают новые перспективы для создания устойчивых и высокоэффективных LiB. Новый катод на основе марганца может стать ключевым компонентом для аккумуляторов электромобилей и портативных устройств, снижая зависимость от металлов, добыча которых связана с экологическими и социальными проблемами.