Будущее аккумуляторов за соединениями марганца, уверены учёные из Массачусетского технологического института, что сделает их дешевле и ёмче. Чтобы доказать это, исследователи создали катодный материал с высоким содержанием этого минерала, который в 30 раз дешевле кобальта. Но дело не только в цене. Потенциально катоды с высоким содержанием марганца обеспечат более высокую плотность запасаемой энергии и ряд других преимуществ.
Источник изображения: MIT
В своей работе над более совершенными электродами аккумуляторов исследователи изучали так называемые материалы с разупорядоченной структурой каменной соли (disordered rock salt, DRX). Это не та каменная соль, которая называется ещё поваренной. Как правило, DRX — это оксиды, например, оксид лития, но не обязательно. Учёные уже подтвердили необычно высокий потенциал DRX-материалов для изготовления анодов и катодов аккумуляторов. Но у них обнаружился существенный недостаток — низкий уровень циклирования. Они быстро истощались — приходили в негодность как накопители и проводники ионов.
«В катодных материалах обычно существует компромисс между плотностью энергии и стабильностью циклирования ... и в этой работе мы стремимся выйти за рамки, разработав новую химию катодов, — поясняют изобретатели. — (Представленное) семейство материалов обладает высокой плотностью энергии и хорошей стабильностью при циклировании, поскольку в нём используются два основных типа катодных материалов — каменная соль и полианионный оливин, поэтому оно обладает преимуществами обоих».
Иными словами, учёные подобрали такое соотношение DRX и полианионов (это большой спектр соединений с избытком отрицательно заряженных групп), при котором сохранялась бы высокая плотность энергии и возможность множественного перезаряда. Некоторой проблемой стала высокая подвижность кислорода в катоде при заряде аккумуляторов высоким напряжением — ещё одна изюминка новых аккумуляторов, однако она была решена введением связывающего кислород вещества — фосфора.
В идеальном случае электроды на основе DRX-материалов могут обеспечить до 350 мА·ч/г, тогда как традиционные катоды обеспечивают плотность хранения энергии не выше 200 мА·ч/г. Добавка полианионов обеспечит им стабильность множества циклов заряда и разряда, а использование марганца вместо никеля и, особенно, кобальта, сделает производство аккумуляторов дешевле. Но всё это в будущем. Еще предстоит много исследовательской работы, чтобы коммерческое производство электродов из DRX-материалов стало реальностью.