Новый прорыв в железосодержащих батареях

Исследователи добились создания более энергоемкого накопительного материала для железосодержащих батарей. Этот прорыв может также улучшить применение в МРТ-технологиях и системах магнитной левитации.

В своей докторской диссертации 2018 года выпускник Стэнфордского университета Уильям Джент предложил усовершенствовать железосодержащий материал, которое, будучи достигнутым, могло бы создать более высокое энергетическое состояние для железа — прорыв, который мог бы значительно улучшить хранение энергии и, возможно, другие технологии.

Однако Джент смог лишь предпринять первую попытку создания материала до истечения срока его обучения в докторантуре.

Перенесемся в 2025 год: трое последующих аспирантов Стэнфорда, Хари Рамачандран, Эдвард Му и Эдер Ломели, возглавили междисциплинарную команду, которая развила работу Джента, совершив фундаментальное открытие, которое действительно создало более высокое потенциальное энергетическое состояние, чем считалось ранее возможным для железосодержащего материала. Команда состоит из 23 ученых из трех университетов США, четырех национальных лабораторий США, а также университетов Японии и Южной Кореи. Результаты работы этой команды были опубликованы в журнале Nature Materials в начале этого месяца.

Непосредственным потенциальным применением результатов команды являются литий-ионные батареи, но другие возможные применения включают магнитотехнику, такую как аппараты магнитно-резонансной томографии (МРТ) в медицине и технологии магнитной левитации для высокоскоростных поездов. Эти открытия могут также способствовать разработке сверхпроводников.

Эврика, с изюминкой

Железо регулярно участвует в реакциях, где оно высвобождает и повторно поглощает электроны, что известно как окислительно-восстановительные реакции. От транспортировки кислорода в вашем теле до роста растений и ржавления велосипедов — окислительно-восстановительные реакции железа являются огромной частью нашей жизни.

Атомы железа, как правило, ограничивают свой вклад в эти реакции двумя или тремя из 26 электронов железа. Джент полагал, что сможет заставить его делать больше, подталкивая материал к многократному отдаче пяти электронов на атом железа и принятию пяти обратно во время зарядки. Исследователи считают, что ключ к этому — не давать атомам железа располагаться близко друг к другу в кристаллической структуре материала. В противном случае побочные реакции, такие как образование связей атомов кислорода, препятствуют более высоким степеням окисления железа. Если использовать в катоде литий-ионной батареи, это позволит батарее хранить больше энергии и обеспечивать более высокое напряжение.

Сила в изгибе

Когда Рамачандран и Му приступили к работе над идеей Джента в 2021 году, им сначала не удавалось предотвратить коллапс кристаллической структуры материала батареи во время зарядки. Оба предположили, что изготовление частиц для их материалов чрезвычайно малого размера может помочь.

Это оказалось непросто.

«Создание частиц очень малого размера — всего 300-400 нанометров, или миллиардных долей метра в диаметре, примерно в 40 раз меньше, чем раньше — оказалось сложной задачей», — сказал Рамачандран, доктор философии '25.

В 2022 году он и Му нашли решение.

«Буквально, решение. Мы вырастили наши кристаллы из тщательно приготовленного раствора», — сказал Му. «В наших электрохимических тестах материал, казалось, заставлял железо обратимо отдавать и затем принимать пять электронов, в то время как кристаллическая структура оставалась стабильной».

По крайней мере, это предполагали спектральные изображения Рамачандрана и Му, указывающие на увеличение энергетического потенциала материала. Чтобы подтвердить это, они объединились с Ломели в 2023 году. Научный руководитель Ломели, Том Деверео, является пионером в моделировании и интерпретации рентгеновских спектров с использованием численных методов в физике конденсированных сред.

Основываясь на своем детальном моделировании спектров, Ломели в конечном итоге смог показать, что дополнительные два электрона, как оказалось, поступают не от атомов железа, а от кислорода с помощью железа.

«Слишком просто говорить, что железо — герой или кислород — герой, когда речь идет о предоставлении свободных электронов», — сказал Ломели. «Атомы в этом очень хорошо упорядоченном материале ведут себя как единое целое».

Возвышение железа

За последние несколько лет железо вытеснило кобальт и никель в качестве основного металла в литий-ионных катодах по всему миру как для электромобилей, так и для стационарных систем хранения энергии. Железо намного дешевле кобальта и никеля. Кроме того, 70% мировых запасов кобальта поступает из Демократической Республики Конго, а Китай контролирует большую часть добычи в Конго. Эти шахты, как сообщается, используют детский труд в опасных условиях для всех шахтеров, а добыча привела к обезлесению и загрязнению рек и почв.

В результате этих проблем 40% производимых сегодня литий-ионных батарей используют катоды из лития, железа и фосфора. Этот катод «быстро становится наиболее популярной химией катодов для батарей как для электромобилей, так и для стационарных систем хранения энергии в масштабе сети», — сказал Рамачандран.

Однако эти катоды не имеют высокого напряжения, и батареи, изготовленные из них, тоже. Автопроизводители и другие производители нашли обходные пути низкого напряжения для достижения коммерческого успеха без никеля и кобальта.

«Высоковольтный катод на основе железа мог бы избежать компромисса между более высоким напряжением и более дорогими металлами, которые ранее доминировали в материалах катодов», — сказал Му. «Лучшее из обоих миров».

Чтобы получить высоковольтный, железосодержащий, обратимый и стабильный катод, Рамачандран и Му тщательно синтезировали свой материал из — как предложил Джент — лития, железа, сурьмы и кислорода, или «LFSO». Первоначальные тесты в Стэнфордском центре батарей SLAC, совместном предприятии Института энергии Precourt Школы устойчивого развития Стэнфорда и Национальной ускорительной лаборатории SLAC, показали, что высоковольтные катоды были стабильны.

Прочность через изгиб

Для более детального изучения структуры и действия LFSO и сравнения его с предыдущими неудачными версиями команда исследовала его с помощью пучков рентгеновских лучей и нейтронов в национальных лабораториях Лоуренса Беркли, Ок-Риджа и Аргонна.

Даже с этой информацией Рамачандран и Му по-прежнему не могли точно определить, что происходит. Их научный руководитель, Уильям Чуэ, и Деверео являются преподавателями на кафедрах материаловедения и инженерии в Школе инженерии и фотонных наук в SLAC, но Чуэ подходит к своей работе больше с точки зрения химии, в то время как исследования Деверео сосредоточены на теоретических и вычислительных материаловедении.

В итоге комбинированный подход экспериментальных результатов и вычислительного моделирования дал согласие: в отличие от предыдущего материала, который искривлялся и разрушался после того, как ионы лития выходили и направлялись к аноду во время зарядки, материал, изготовленный из наночастиц, немного изгибался, чтобы вместить освободившиеся места для лития, и оставался целым во время циклов.

«Высоковольтные железосодержащие материалы редко сообщались учеными», — сказал Чуэ. «Наше детальное исследование электронной структуры этого вида железа предоставляет убедительные доказательства окисления за пределы трех электронов».

Теперь, когда они знают, как подтолкнуть железо к высокому состоянию окисления и удержать его там, Чуэ сказал, что оставшаяся основная команда работает над решением практических инженерных задач — подбором форм частиц, состава материала и химии, чтобы найти комбинацию, которая будет работать в коммерческом применении. В списке приоритетов — поиск замены сурьмы в LFSO. Как и кобальт, это дорогостоящий минерал со значительными уязвимостями в цепочке поставок, но развивающаяся исследовательская команда имеет в виду несколько альтернативных кандидатов.