НИОКР
Наноструктурированные материалы для современных литиевых источников тока / 04.05.2008
Источник: Нанометр
В 2005 году в журнале Nature Materials был опубликован обзор, посвященный открытию и разработке наноструктурированных материалов для устройств хранения и превращения энергии: литиевых источников тока, топливных элементов и суперконденсаторов.
Особое внимание авторы уделили обсуждению преимуществ и недостатков наноструктрурированных материалов при использовании в таких устройствах. В сжатой и систематизированной форме авторы дают представление о наиболее перспективных достижениях в области применения наноструктурированных материалов в устройствах хранения и превращения энергии и намечают тенденции развития в этой области.
В своей работе авторы разделяют наноматериалы на первичные, размер которых составляет десятки нанометров, и вторичные, размер которых составляет микроны, но которые в свою очередь состоят из нанометровых частиц или доменов. В настоящей заметке мы ограничимся обзором использования наноматериалов для литиевых источников тока.
Литиевые источники тока
Литий-ионные аккумуляторы можно назвать одним из наиболее успешных открытий в области электрохимии материалов. Напомним, что литий-ионный аккумулятор состоит из отрицательного электрода, способного обратимо внедрять ионы лития (обычно это графит) и положительного электрода, также способного к обратимому внедрению ионов лития (обычно это сложный оксид лития, например, LiCoO2). Эти два электрода разделены электролитом, проводящим по ионам лития (например, раствор LiPF6 в смеси этиленкарбоната и диэтилкарбоната). Несмотря на то, что такие аккумуляторы достаточно успешно зарекомендовали себя на современном рынке, при использовании вышеупомянутых материалов электродов и электролита их производительность ограничена. При разработке перезаряжаемых литиевых аккумуляторов нового поколения необходимо учитывать требование возможности их использования не только в электронных товарах широкого потребления, но также в гибридных электромобилях и для хранения экологически чистых видов энергии. Одним из направлений, которое может привести к созданию таких источников тока, является разработка наноматериалов для использования в литий-ионных аккумуляторах.
Электроды
Авторы обзора выделяют несколько потенциальных преимуществ и недостатков использования наноструктурированных электродов в литий-ионных аккумуляторах. Среди преимуществ называют: (1) релаксацию напряжений, возникающих в процессах внедрения/экстракции лития, что приводит к лучшей стабильности при циклировании; (2) протекание новых процессов/реакций, которые невозможны для объемного материала; (3) большую площадь контакта электрод/электролит, что приводит к более высоким скоростям заряда/разряда; (4) короткие диффузионные расстояния для транспорта электронов, что позволяет использовать материалы с низкой электронной проводимостью, и (5) короткие диффузионные расстояния для транспорта ионов лития, что позволяет использовать материалы с низкой проводимостью по Li+. Среди недостатков авторы особо отмечают: (1) увеличение нежелательных процессов взаимодействия между электродом и электролитом из-за увеличения площади поверхности, что приводит к саморазряду, уменьшению количества циклов и более короткому сроку службы; (2) слипание частиц, приводящее к более низким удельным энергиям на единицу объема, и (3) использование более сложных и дорогостоящих методов синтеза по сравнению с материалами, применяемыми в настоящее время.