Исследователи из Сингапура предложили новый подход к проектированию материалов электрода для быстро заряжающихся литиево-ионных батарей. Они создали простую систему для изготовления, сложенных в стопу, подобно бутерброду, и укрепленных углеродом, нанолистов из диоксида титана, в котором углеродные колонны создают открытые каналы для быстрой транспортировки ионов лития, а ультратонкая структура обеспечивает хранение лития почти исключительно на поверхности.

Наноматериалы − это, по истине, ключ к развитию высокоэффективных технологий аккумулирования энергии батареями для мобильного телефона и портативных компьютеров, обеспечивающих большое время работы батареи. Сегодня, литий-ионные аккумуляторы не только используются в мобильных устройствах, но также интенсивно усовершенствуются во всем мире для создания все более совершенных электромобилей.

Поскольку литий-ионные аккумуляторы периодически требуют зарядки, большое количество ионов лития оседает на аноде. В режиме энергопотребления батареи, эти ионы мигрируют к катоду, посылая электроны через внешнюю цепь. Традиционные материалы, используемые для анода, такие как графит, имеют довольно низкую емкость и уровень разрядки, и потому поиск им достойной альтернативы являются ключевым моментом в создании батарей, которые работают дольше и производят больше энергии.

Сегодня диоксид титана (TiO₂) рассматривается как один из идеальных кандидатов-материалов для анода с высоким уровнем разрядки. Это не только благодаря его структурным особенностям и необычной активности в поверхностных эффектах, но также в силу его низкой цены, безопасности, и относительно низкому воздействию на окружающую среду.

Исследователи из Сингапура создали простую систему для изготовления, сложенных в стопу, подобно бутерброду, и укрепленных углеродом, нанолистов из диоксида титана, в котором углеродные колонны создают открытые каналы для быстрой транспортировки ионов лития, а ультратонкая структура обеспечивает хранение лития почти исключительно на поверхности. Эта работа породила новый подход к проектированию материалов электрода для быстро заряжающихся литиево-ионных батарей.

Рис. 1. Изображения, полученные с помощью туннельного электронного микроскопа, демонстрирующие процесс синтеза нанолистов слоистого титаната (слева) и укрепленных углеродом нанолисты, сложенные из диоксида титана, полученные после отжига при 350 °C в течение 2 часов (справа). (Источник: Xuewei Liu, Nanyang Technological University).

«Нехватка открытых каналов в чистом диоксиде титана − главный недостаток, который ограничивает его емкость и уровень разрядки, важных как при зарядке, так и при разрядке аккумулятора " объясняет Ксуюеи Лиу (Xuewei Liu), старший преподаватель Технологического университета Nanyang (NTU). "Сокращение эффективного размера и строительства открытых каналов в материале − главные стратегии, в настоящее время используемые, чтобы улучшить характеристику разрядки. Емкость сверхтонких нанокристаллов TiO₂ и нанотрубок, например, значительно увеличивается при более низких показателях. Однако, их емкость и время жизни резко ухудшаются при более высоких показателях».

Лиу отмечает, что в отношении этого недостатка недавно были сделаны существенные усилия для создания TiO₂− нанолистов (из анатаза) с представленными высоко реактивными (001) гранями. Эксперименты показали, что эти TiO₂− нанолисты являются превосходной материнской структурой для введения и вывода ионов лития.

Для справки: Анатаз (от др.-греч. ἀνάτασις — «протяжение»), октаэдрит — минерал, одна из трёх природных полиморфных модификаций двуокиси титана (диоксида титана, оксида титана (IV), TiO₂.

Рис.2. Анатаз в кварце.

«Однако, системы с высоким ЭДС, включающие огнеопасные растворители и агрессивные добавки (основания или кислоты), часто использовались в термических методах», − говорит Луи. «Есть все еще потенциальная опасность в высокотемпературных и с высоким ЭДС системах, когда их принцип работы основан на использовании низкой точки кипения для воспламеняющихся растворителей. Кроме того, нанолисты с выставленными гладкими гранями легко накладываются друг на друга, в силу процесса становления Оствальда (Ostwald ripening process), что приводит к уменьшению площади активной поверхности. Для преодоления этих трудностей, мы проектировали нашу простую ионно-жидкостную систему».

Сообщив о своих результатах в последнем выпуске журнала Advanced Materials (""Sandwich-Like, Stacked Ultrathin Titanate Nanosheets for Ultrafast Lithium Storage"), группа Луи, работая с командой Лу Ксионга Вэня (Lou Xiong Wen) в Техническом Колледже при NTU. Вместе они синтезируют, сложенные (подобно бутерброду) в стопу TiO₂− нанолисты (CTNSs), укрепленные углеродом, на большом масштабе, посредством простого и наглядного способа.

Таблица 1. Сравнение с существующими методами и материалами (1 C = 170 mA g-1) (Источник: Xuewei Liu, Nanyang Технологический Университет).

Вследствие уникальных структурных особенностей (благодаря укладке в стопу нанолистов с открытыми каналами), накопление лития в этих CTNSs, имеет место, главным образом, на поверхности.

«Этот механизм псевдоемкостного внесения и извлечения ионов лития обеспечивает замечательное улучшение зарядки и разрядки аккумулятора при высоком напряжении,» − говорит Луи. «Кроме того, полученный здесь углерод может значительно стабилизировать TiO₂ − нанолисты, обеспечивая превосходное время работы. Мы, таким образом, ожидаем многообещающее использование этого материала в мощных литий-ионных аккумуляторах».

Лиу указывает следующие преимущества нового материала для анода:

• 1) Чистые синтетические системы: низкое ЭДС и безопасность;
• 2) ионная жидкостная система является дешевой и простой для изготовления;
• 3) высокая выработка: продукт может быть, в принципе, синтезирован на большом масштабе, при этом легко организовать его массовое производство;
• 4) уникальная структура с превосходными характеристиками: структура бутерброда обеспечивает открытые каналы, которые являются очень удобными для быстрого литиевого накопления.

Таблица 1 показывает, что у материала имеются превосходные значения емкости, как при низких, так и при высоких показателях. Полное время зарядки при 30 °C составляет лишь 1.3 минуты.

Поскольку усовершенствование материалов для ультрабыстро заряжающего электрода с высокими показателями и низкой стоимостью остается еще большой проблемой для литий-ионных аккумуляторов следующего поколения, команда NTU продолжит свои исследования, сосредоточившись на создании новых и дешевых материалов электрода для литий-ионных аккумуляторов следующего поколения.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Jiehua Liu, Jun Song Chen, Xiangfeng Wei, Xiong Wen Lou, Xue-Wei Liu Sandwich-Like, Stacked Ultrathin Titanate Nanosheets for Ultrafast Lithium Storage. – Advanced Materials. – published online: 27 DEC 2010; DOI: 10.1002/adma.201003759.

Статья переведена и отредактирована Филипповым Ю.П.