Литий-ионные аккумуляторы встречаются в современной технике на каждом шагу и весьма быстро совершенствуются, но их свойства продолжают оставаться далекими от желаемых.

Напомню принцип работы литий-ионного аккумулятора. При зарядке происходят следующие процессы: перенос ионов Li⁺ от катода к аноду через электролит и электрохимические реакции на электродах:

на катоде: LiCoO₂ → Li_1-xCoO₂ + xLi⁺ + xe⁻

на аноде: С + xLi⁺ + xe⁻ → CLi_x

При разрядке все процессы идут в обратном направлении.

Исследователи стараются улучшить все компоненты аккумулятора, но для повышения его емкости особое внимание уделяют электродам, стараясь повысить их удельную способность к аккумуляции ионов лития, стремятся также повысить их проводимость и стабильность. На эти темы регулярно появляются заметки на нашем сайте, причем как о катодах (предлагается замещение LiCoO₂ на LiFePO₄), так и об анодах (предлагается замена углеродного анода кремниевым, способным поглотить большее число ионов лития на единицу собственной массы).

Здесь я хочу сообщить об инновационном аноде из полых нанотрубок оксида железа, разработанном на замену традиционных графитовых. Идея использования массива нанотрубок в качестве анода уже возникала и обсуждалась ранее, но тогда речь шла о нанонитях оксида олова.

Рис. 1. Схема производственного процесса.

α-Fe₂O₃ состоит из гексагональной плотнейшей упаковки анионов кислорода и катионов Fe³⁺ в 2/3 октаэдрических пустот структуры. Еще треть октаэдрических пустот может быть заполнена при зарядке катионами лития, при этом часть железа восстановится до степени окисления +2:

α-Fe₂O₃ + Li⁺ + e⁻ → LiFe₂O₃

Рис. 2. SEM и TEM нанотрубок гидроксида железа (промежуточного продукта).

Подобный электрод обеспечивает емкость до 1000 мА*ч/г при условии полной зарядки/разрядки за 2 часа и 500–800 мА*ч/г при ускорении процессов в 2–4 раза. Это значительно превосходит емкость графитовых электродов (372 мА*ч/г) и приближается к емкости электродов на основе нанотрубок оксида олова (1900 мА*ч/г), примерно на порядок превосходя их по скорости зарядки/разрядки.

Рис. 3. SEM и TEM нанотрубок оксида железа (конечного продукта).

А производят описанные электроды по весьма оригинальной методике. Сначала формируют массив нанонитей меди. Затем осаждают на их поверхность FeCl₂ с образованием CuCl из меди и его растворением:

Cu + FeCl₃ → CuCl(тв) + FeCl₂

CuCl + Cl^- → CuCl₂-(раств)

Адсорбированные на растворяющейся поверхности меди ионы Fe²⁺ Fe³⁺ быстро гидролизуются, формируя смешанный гидроксид Fe(OH)_x в виде полых нанотрубок. После завершения вышеописанных процессов полученный массив нанотрубок подвергается окислительному отжигу для дегидротации и перевода всего железа в степень окисления +3.

Рис. 4. Сравнение емкости описанных анодов, альтернативных(полученных на основе наночастиц оксида железа) и традиционных графитовых.

Результы исследований опубликованы в статье:

Zhiyu Wang, Deyan Luan, Srinivasan Madhavi, Chang Ming Li and Xiong Wen (David) Lou α-Fe₂O₃ nanotubes with superior lithium storage capability. – Chem. Commun. – 2011. – 47. – 8061–8063; DOI: 10.1039/C1CC12111A.