Развитие собственного производства литий-ионных аккумуляторов — одна из ключевых задач в технологической повестке нашей страны. Несмотря на большие запасы лития, объемов производства литий-ионных аккумуляторов в стране на сегодняшний день недостаточно. Особенно остро стоит вопрос создания аккумуляторов с высокой плотностью энергии для использования в электромобилях.
Свой вклад в решение проблемы вносят представители как индустрии, так и науки. В новом исследовании ученые из Сколтеха совместно с коллегами из Франции, Китая и других стран впервые смогли определить роль кобальта и никеля в электрохимических свойствах катодных материалов, необходимых для производства аккумуляторов.
Работа опубликована в журнале Nature Materials. В современных литий-ионных аккумуляторах в качестве материала одного из электродов используются слоистые оксиды лития, никеля, марганца и кобальта. Никель, марганец и кобальт принадлежат к одному классу — 3d-переходных металлов, поэтому их электронная структура и химические свойства схожи между собой. Поскольку они абсолютно равномерно перемешаны в кристаллической структуре слоистых оксидов, разделить их вклад в электрохимические свойства катодного материала очень трудно.
Для решения задачи разделения роли никеля и кобальта ученые получили два модельных соединения — оксид лития-никеля-марганца и оксид лития-кобальта-марганца — и затем провели комплексное исследование их структуры, состава и электрохимических свойств. С помощью комбинированных исследований данных систем различными спектроскопическими и электрохимическими методами, а также просвечивающей электронной микроскопией высокого разрешения исследователи представили результаты их сопоставления по нескольким параметрам: локальная атомная структура материалов, ее эволюция в процессе работы электрохимической ячейки и взаимосвязь наблюдаемых явлений с возникновением механических напряжений, кинетикой (де)интеркаляции лития, кинетикой окислительно-восстановительных процессов и так далее.
Изображение просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Яркие точки соответствуют атомным колонкам переходных металлов (никель-марганец и кобальт-марганец). Темные участки соответствуют колонкам атомов лития и кислорода / © Анатолий Морозов
«Мы провели исследование на уникальном оборудовании Центра коллективного пользования „Визуализация высокого разрешения“ в Сколтехе. С его помощью мы изучили атомную структуру материалов для литий-ионных аккумуляторов. Нашей задачей было получить данные об эволюции локальной кристаллической структуры материалов при электрохимическом циклировании. Подготовка образца, работа непосредственно с оборудованием и интерпретация результатов требуют очень большой аккуратности и точности», — рассказал соавтор работы Анатолий Морозов, младший научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха.
«В ходе обсуждения результатов с нашими коллегами из Коллеж де Франс мы проанализировали данные не только просвечивающей электронной микроскопии, но и рентгенографии, спектроскопии и электрохимических измерений. Результаты мы представили в виде сравнительной таблицы, из которой можно сделать вывод о преимуществах и недостатках материалов на основе кобальта и никеля. Эти данные будут использованы для направленного дизайна состава катодных материалов для создания литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии, необходимых для производства электромобилей», — объяснил соавтор работы Артем Абакумов, профессор и директор Центра энергетических технологий Сколтеха.
Исследование выполнено в рамках проекта «Создание перспективных электрохимических систем хранения энергии с помощью направленного дизайна локальной структуры и микроструктуры электродных материалов», поддержанного грантом Российского научного фонда до 2026 года.
Под руководством профессора Артема Абакумова ученые разрабатывают научные основы дизайна высокоемких электродных материалов и твердых электролитов для создания следующего поколения вторичных электрохимических источников тока с высокой плотностью энергии.
Результаты проекта внесут вклад в реализацию Концепции по развитию производства и использования электрического автомобильного транспорта в Российской Федерации. Согласно принятой на период до 2030 года концепции, на территории России будет развиваться производственная база по выпуску собственных электромобилей.