Российские исследователи добились значительного прорыва в повышении долговечности литий-ионных аккумуляторов. Учёные из Сколтеха, предложив легирование катодного материала высоковалентным танталом, установили, что добавление всего 0,5 мольных процентов оксида тантала (Ta₂O₅) снижает скорость деградации ёмкости батареи за цикл почти в два раза.
Это открытие прокладывает путь к созданию более долговечных, безопасных и мощных батарей для электромобилей, электронных устройств и систем накопления энергии. Современные литий-ионные аккумуляторы для увеличения энергоёмкости используют катоды из слоистого никель-содержащего оксида. Однако чем выше содержание никеля, тем быстрее происходит деградация батареи: многократные циклы зарядки и разрядки приводят к медленному образованию трещин в частицах материала и потере ёмкости.
Одно из перспективных решений — создание катодных частиц с градиентной концентрацией металлов, где содержание никеля максимально в центре и плавно уменьшается к поверхности, а концентрация стабилизаторов — марганца и кобальта — возрастает. Как пояснила соавтор исследования, аспирант Сколтеха Люция Ситникова, ключевая сложность заключалась в создании оптимальной и стабильной градиентной структуры. Для её преодоления учёные разработали математическую модель, предсказывающую изменение концентрации металлов в зависимости от параметров синтеза, и на её основе создали несколько вариантов материала. Другой вызов состоял в сохранении этой тонкой градиентной структуры на финальном этапе производства — при высокотемпературном внедрении лития. Именно для решения этой проблемы команда добавила в материал оксид тантала.
Как отмечает старший научный сотрудник Сколтеха Александра Савина, высоковалентный тантал не просто внедряется в кристаллическую решётку. Он сегрегирует на поверхности первичных кристаллитов, способствуя катионному разупорядочиванию в слоистой структуре. При этом тантало-обогащённые области не образуют отдельной фазы, а эпитаксиально, то есть продолжая кристаллическую структуру, формируют на поверхности слой толщиной в несколько нанометров. Это модифицирование эффективно подавило перераспределение металлов и укрупнение частиц при высоких температурах.
Исследование, подробно описывающее синтез, структуру и свойства улучшенного катодного материала, опубликовано в научном журнале Advanced Functional Materials. Работа представляет собой комплексное исследование, сочетающее моделирование, синтез модифицированным методом соосаждения и всесторонний анализ с помощью современных методов, таких как просвечивающая электронная микроскопия.