Ученые Сколтеха запатентовали новую технологию производства феррофосфата лития — ключевого материала литий-ионных аккумуляторов. Разработка позволит не только увеличить срок службы и энергоемкость батарей, но и сократить расход электроэнергии при получении катодного материала.
Определяющую роль для свойств аккумуляторов — в том числе безопасности и срока службы — играет материал катода. Примерами являются литий-никель-марганец-кобальт-оксидные (NMC) и литий-железо-фосфатные (LFP) аккумуляторы. Первые отличаются высокой энергоемкостью, из-за чего они особенно популярны у производителей электромобилей, а вторые — низкой стоимостью и устойчивостью к перегреву и возгоранию, что делает их удобными для городских электробусов.
Разработка Сколтеха дает возможность получать LFP-материал в виде микрочастиц сферической формы, обеспечивающей их более плотную упаковку. Это позволяет создать литий-ионный аккумулятор с повышенной плотностью энергии. Имея ту же массу, такая батарея будет запасать больше энергии.
Синтез LFP происходит с помощью высокотемпературной обработки прекурсора, то есть материала-предшественника, который можно получить за счет распыления водной суспензии реагентов в потоке горячего воздуха. После распыления мелкие капли суспензии мгновенно высыхают, в результате остаются сферические частицы порошка.
Авторы исследования обнаружили, что если высушивать капли не горячим воздухом, а с помощью микроволнового излучения, то все исходные вещества в каждой сферической частице будут распределены более равномерно. При последующей термообработке это позволяет создать однородное углеродное токопроводящее покрытие, обволакивающее частицы металла, а также достичь высокой электрохимической емкости и стабильной работы катода. Что не менее важно, благодаря высокой скорости новый способ получения LFP позволяет сэкономить четверть электроэнергии, которая расходуется для распылительной сушки горячим воздухом.
«Этот эффект объясняется тем, что прогрев распыляемых капель осуществляется из их центра к периферии за счёт прямого воздействия микроволн, а не наоборот, как в случае сушки горячим воздухом. Быстрое удаление воды из капель суспензии с помощью микроволнового излучения позволяет добиться равномерного распределения всех компонентов по объёму сферических — или почти сферических — конгломератов прекурсора. В итоге в катодном материале образуется более разветвлённая проводящая углеродная сеть», — цитирует Сколтех научного сотрудника Центра энергетических технологий Александра Савина. По его словам, это должно обеспечить высокую электропроводность аккумулятора и устойчивость его работы в течение длительного времени.
