Литий-ионные батареи служат основным источником энергии для современной портативной электроники и используются в большинстве мобильных телефонов, фотоаппаратов и ноутбуков. Литий в таких аккумуляторах является переносчиком заряда: когда батарея заряжается, ионы лития покидают кристаллическую решетку смешанного оксида переходного металла, способного изменять свою степень окисления. В современных аккумуляторах обычно используется слоистый оксид кобальта и лития.

Две основные характеристики литий-ионного аккумулятора – это количество циклов перезарядки и ёмкость (то есть количество лития, покидающего кристаллическую решётку во время заряда и возврашаюшегося назад при разряде). Дело в том, что весь литий никогда не уходит из структуры катода (лишь не более 60%), так как, если это произойдет, то возрастает вероятность взрыва и возгорания аккумулятора. Число циклов перезарядки тоже не бесконечно, а значит, энергия, которую могут в себе содержать заряженные аккумуляторы со временем уменьшается.

Учёные придумали как справиться с этими проблемами. Классический катод литий-ионного аккумулятора имеет слоистую структуру: слои лития перемежаются со слоями кислорода и переходного металла. Природа не терпит пустоты, поэтому когда литий покидает свои позиции, на его место мигрируют ионы переходного металла. За счёт того, что его позиции оказываются заняты, литий не может вернуться обратно, и ёмкость батареи падает. В связи с этим исследователи предложили принципиально иную кристаллическую структуру катодного материала.

В новой структуре слои сдвинуты относительно друг друга, вместо слоистой структуры материал приобретает каркасное строение. Оказалось, что такие катоды работают намного стабильнее, энергия практически не теряется, и новая структура позволяет извлечь весь литий при зарядке без риска, что произойдёт возгорание. Таким образом, ёмкость батареи станет намного выше: гаджеты с подобными аккумуляторами смогут дольше держать заряд.

Правда, в качестве модельного объекта использовалось соединение лития с оксидом иридия. Данный материал дорогой и вряд ли будет массово производиться, поэтому следующим этапом работы станет поиск более распростанённых и дешёвых металлов для замены иридия. 

“В нашей работе мы продемонстрировали способ использовать ёмкость литий-ионного аккумулятора в полной мере, не боясь взрывов, возгораний и деградации материалов”, – заключает профессор Центра Сколтеха по электрохимическому хранению энергии Артём Абакумов.

Исследование опубликовано в научном журнале Nature Materials.