Корейские учёные разрабатывают новые аккумуляторы , которые могут позволить электромобилям преодолевать до 1000 километров на одном заряде.
21.03.2025
Группа исследователей из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) добилась значительных успехов в понимании и решении одной из ключевых проблем, с которыми сталкиваются аккумуляторы нового поколения.
Их внимание к новому катодному материалу под названием «квазилитий» может позволить электромобилям преодолевать до 1000 километров на одном заряде.
Однако прорыв заключается не только в энергоемкости, но и в безопасности.
Команда исследователей выявила основную причину выделения опасного газообразного кислорода во время зарядки под высоким напряжением и предложила решение, которое сделает эти мощные аккумуляторы безопасными и стабильными.
Проблема с кислородом
Квазилитиевые материалы перспективны, поскольку теоретически они могут накапливать на 30–70% больше энергии, чем современные аккумуляторные технологии, поддерживая зарядку при напряжении выше 4,5 вольт. Однако это преимущество сопряжено со значительным риском. Во время зарядки при таком высоком напряжении молекулы кислорода, содержащиеся в материале аккумулятора, могут окисляться и выходить в виде газа. Скопление газа ухудшает структуру аккумулятора и создаёт серьёзную угрозу взрыва. Команда UNIST под руководством профессора Хён-Ука Ли из Школы энергетики и химической инженерии обнаружила, что окисление кислорода происходит при напряжении около 4,25 вольт. На этом этапе происходит частичное структурное повреждение, и выделяется газообразный кислород. Понимание этого механизма позволило исследователям перейти от лечения симптомов к устранению первопричины.
Инновационный подход
Исследовательская группа предложила инновационный подход: заменить некоторые переходные металлы в квази-литии на элементы с более низкой электроотрицательностью. Эта замена изменяет поток электронов внутри материала. Из-за разницы в электроотрицательности электроны стремятся собраться вокруг более электроотрицательных элементов. В результате у переходных металлов появляется больше свободных электронов, что не позволяет кислороду терять электроны и окисляться.
Первый автор исследования Мин Хо Ким, доктор наук в UNIST и научный сотрудник Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, подчеркнул: «В то время как предыдущие исследования были направлены на стабилизацию окисленного кислорода для предотвращения выделения газа, наше исследование отличается тем, что направлено на предотвращение окисления самого кислорода».
Более высокая плотность заряда батареи
Исследователи использовали усовершенствованный рентгеновский анализ с помощью ускорителя для проверки своей теории. Их эксперименты подтвердили, что замена части дорогостоящего рутения на никель значительно уменьшила количество выделяемого кислорода. С теоретической точки зрения расчёты в рамках теории функционала плотности (DFT) помогли подтвердить, как происходит перераспределение электронов внутри материала. Интересно, что такое изменение плотности электронов не только делает аккумулятор безопаснее, но и позволяет использовать более высокое напряжение зарядки. Поскольку плотность энергии зависит от количества доступных электронов и напряжения, эта стратегия может значительно увеличить ёмкость аккумулятора.
Как объяснил профессор Ли, эта идея похожа на плотину, которая накапливает больше энергии при более высоком уровне воды и большей высоте падения.
«С помощью различных экспериментов и теоретического анализа мы разработали библиотеку методов, которые могут помочь исследователям катодных материалов в их работе по созданию новых материалов. Эта работа будет способствовать разработке взрывобезопасных аккумуляторов большой ёмкости с повышенной плотностью энергии», — сказал профессор Ли.
Их внимание к новому катодному материалу под названием «квазилитий» может позволить электромобилям преодолевать до 1000 километров на одном заряде.
Однако прорыв заключается не только в энергоемкости, но и в безопасности.
Команда исследователей выявила основную причину выделения опасного газообразного кислорода во время зарядки под высоким напряжением и предложила решение, которое сделает эти мощные аккумуляторы безопасными и стабильными.
Проблема с кислородом
Квазилитиевые материалы перспективны, поскольку теоретически они могут накапливать на 30–70% больше энергии, чем современные аккумуляторные технологии, поддерживая зарядку при напряжении выше 4,5 вольт. Однако это преимущество сопряжено со значительным риском. Во время зарядки при таком высоком напряжении молекулы кислорода, содержащиеся в материале аккумулятора, могут окисляться и выходить в виде газа. Скопление газа ухудшает структуру аккумулятора и создаёт серьёзную угрозу взрыва. Команда UNIST под руководством профессора Хён-Ука Ли из Школы энергетики и химической инженерии обнаружила, что окисление кислорода происходит при напряжении около 4,25 вольт. На этом этапе происходит частичное структурное повреждение, и выделяется газообразный кислород. Понимание этого механизма позволило исследователям перейти от лечения симптомов к устранению первопричины.
Инновационный подход
Исследовательская группа предложила инновационный подход: заменить некоторые переходные металлы в квази-литии на элементы с более низкой электроотрицательностью. Эта замена изменяет поток электронов внутри материала. Из-за разницы в электроотрицательности электроны стремятся собраться вокруг более электроотрицательных элементов. В результате у переходных металлов появляется больше свободных электронов, что не позволяет кислороду терять электроны и окисляться.
Первый автор исследования Мин Хо Ким, доктор наук в UNIST и научный сотрудник Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, подчеркнул: «В то время как предыдущие исследования были направлены на стабилизацию окисленного кислорода для предотвращения выделения газа, наше исследование отличается тем, что направлено на предотвращение окисления самого кислорода».
Более высокая плотность заряда батареи
Исследователи использовали усовершенствованный рентгеновский анализ с помощью ускорителя для проверки своей теории. Их эксперименты подтвердили, что замена части дорогостоящего рутения на никель значительно уменьшила количество выделяемого кислорода. С теоретической точки зрения расчёты в рамках теории функционала плотности (DFT) помогли подтвердить, как происходит перераспределение электронов внутри материала. Интересно, что такое изменение плотности электронов не только делает аккумулятор безопаснее, но и позволяет использовать более высокое напряжение зарядки. Поскольку плотность энергии зависит от количества доступных электронов и напряжения, эта стратегия может значительно увеличить ёмкость аккумулятора.
Как объяснил профессор Ли, эта идея похожа на плотину, которая накапливает больше энергии при более высоком уровне воды и большей высоте падения.
«С помощью различных экспериментов и теоретического анализа мы разработали библиотеку методов, которые могут помочь исследователям катодных материалов в их работе по созданию новых материалов. Эта работа будет способствовать разработке взрывобезопасных аккумуляторов большой ёмкости с повышенной плотностью энергии», — сказал профессор Ли.