Pramonės naujienos

Naujas ličio jonų baterijų aukštos įtampos katodų gamybos procesas

2022-04-25

Miuncheno technikos universitetas



Energija keliaujant yra paklausa: kuo didesnė akumuliatoriaus talpa, tuo didesnis elektromobilių diapazonas ir ilgesnis mobiliųjų telefonų bei nešiojamųjų kompiuterių veikimo laikas. Dr. Jennifer Ludwig iš Miuncheno technikos universiteto (TUM) sukūrė procesą, leidžiantį greitai, paprastai ir ekonomiškai gaminti aukštos kokybės perspektyvią katodinę medžiagą ličio kobalto fosfatą. Chemikė už savo darbą apdovanota Evonik mokslo premija.

Viltis yra rausva: milteliai, kuriuos Jennifer Ludwig atsargiai supila į stiklinį dubenį ir kurie laboratorinės lempos šviesoje švyti rožine spalva, gali žymiai pagerinti būsimų baterijų veikimą. „Ličio kobalto fosfatas gali sukaupti daug daugiau energijos nei įprastos katodinės medžiagos“, – aiškina chemikas.

Dirbdamas Inovatyvių medžiagų sintezės ir apibūdinimo profesoriaus Tomo Nilgeso grupėje, chemikas sukūrė rožinės spalvos miltelių gamybos procesą greitai, su minimaliu energijos kiekiu ir aukščiausios kokybės.

Baterijų tyrinėtojai jau kurį laiką svarstė, kad ličio kobalto fosfatas yra ateities medžiaga. Jis veikia esant didesnei įtampai nei tradiciškai naudojamas ličio geležies fosfatas, todėl pasiekia didesnį energijos tankį – 800 vatų vienam kilogramui, o ne kiek mažiau nei 600 vatų.

Ankstesnis procesas: brangus ir daug energijos reikalaujantis

Tačiau anksčiau daug žadančios aukštos įtampos katodo medžiagos gamybai reikėjo labai sudėtingo, daug energijos reikalaujančio ir neefektyvaus proceso atšiauriomis sąlygomis, kai temperatūra siekė 800 °C. "Ir kristalai, kurie susidaro tokiomis sąlygomis, skiriasi dydžiu ir turi būti sumalti iki nanokristalinių miltelių antrajame, daug energijos reikalaujančiame gamybos etape", - praneša Ludwig.



Be to, gauti kristalai turi pakankamą joninį laidumą tik viena kryptimi. Didžiojoje paviršiaus dalyje cheminė reakcija tarp elektrodo medžiagos ir elektrolito akumuliatoriuose vyksta labai lėtai.

Pritaikyti kristalai

Jennifer Ludwig sukurtas mikrobangų sintezės procesas išsprendžia visas šias problemas vienu metu: norint gauti aukštos kokybės ličio kobalto fosfatą, reikia tik mikrobangų krosnelės ir 30 minučių laiko.

Reagentai dedami į tefloninį indą kartu su tirpikliu ir kaitinami. Tik 600 W pakanka pasiekti 250 °C, reikalingą kristalų susidarymui skatinti.

Proceso metu sukurtų plokščių trombocitų skersmuo yra mažesnis nei vienas mikrometras ir yra tik keli šimtai nanometrų storio, o didžiausio laidumo ašis nukreipta į paviršių. „Ši forma užtikrina geresnį elektrocheminį veikimą, nes ličio jonai kristaluose turi judėti tik nedideliais atstumais“, – aiškina Ludwigas.



sukeldamas reakciją

Chemikė savo eksperimentų metu sugebėjo išspręsti ir kitą problemą: esant aukštesnei nei 200 °C temperatūrai ir esant aukštam slėgiui, vietoje norimo ličio kobalto fosfato retkarčiais susidaro iki šiol nežinomas sudėtingas kobalto hidroksido vandenilio fosfato junginys.

Jennifer Ludwig pavyko išsiaiškinti reakcijos mechanizmą, išskirti junginį ir nustatyti jo struktūrą bei savybes. Kadangi naujasis junginys netinkamas kaip akumuliatoriaus medžiaga, ji modifikavo reakciją taip, kad gautųsi tik norimas ličio kobalto fosfatas.

„Naudodami šį naują gamybos procesą dabar galime sukurti aukštos kokybės, trombocitų formos ličio kobalto fosfato kristalus, pasižyminčius pritaikytomis aukštos kokybės savybėmis“, – sako profesorius Nilgesas. "Taigi buvo įveikta dar viena kliūtis kelyje į naujas aukštos įtampos medžiagas."