Группа ученых из Института физики Китайской академии наук и Университета Чжэцзян Ваньли разобралась, как устроены перспективные катодные материалы для литиевых батарей. Профессора Су Дун, Лю Мяо, Лэй Синьчэн вместе с коллегами Ван Синь и Ван Цзяи изучили под электронным микроскопом, что происходит с материалом Li₁.₂Ni₀.₂Mn₀.₆O₂ на атомном уровне при нагреве. Оказалось, при температуре выше 900°C он превращается не в однородную массу, как думали раньше, а в две четко разделенные фазы — будто драгоценный камень, одна половина которого рубин, а другая — алмаз.

Результаты опубликованы в издании National Science Review.

Раньше спорили: литий-марганцевые катоды — это твердый раствор или две фазы, смешанные в наномасштабе? Теперь ясно: при высоких температурах ионы никеля и марганца перегруппировываются, и материал распадается на крупные участки с разными свойствами. Это меняет его электрохимическое поведение.

Теперь мы можем проектировать катоды не вслепую, а сознательно создавая нужную структуру, — говорят исследователи.

Такие батареи в перспективе дадут 1000 Вт·ч/кг — хватит для электромобилей с запасом хода под тысячу километров или даже легких самолетов.

Главный плюс — инженеры теперь понимают, как управлять структурой катода. Если раньше литий-марганцевые материалы работали нестабильно (то резко теряли емкость, то перегревались), теперь можно:

• Точно рассчитывать температурные режимы синтеза, чтобы получить нужную двухфазную структуру;
• Уменьшить деградацию батареи за счет контроля миграции ионов;
• Увеличить энергоемкость без риска взрыва.

Практическое применение — батареи для авиации и тяжелой техники, где критична энергоемкость на килограмм веса.

Исследование не объясняет, как поведет себя двухфазный катод после 500–1000 циклов заряда. В реальных батареях ионы лития постоянно «раскачивают» структуру, и возможно, что микроразделение фаз ускорит разрушение материала.

Ранее ученые изготовили катод из хлорида железа.