Японски пробив: Манганова батерия с рекордна плътност от 820Wh/kg

Японски учени от Националния университет в Йокохама са разработили литиево-йонна батерия с анод на основата на манган, която осигурява енергийна плътност от 820 Wh/kg, надминавайки никел-кобалтовите батерии (750 Wh/kg). Новият метод за синтез на LiMnO2 батерии елиминира проблемите с производителността и създава по-рентабилна и екологична батерия. Екипът вижда голям потенциал за комерсиализиране на тази разработка и прилагането ѝ в бързо развиващия се сегмент на електромобилите.

Производителите на електромобили предпочитат батерии на никелова и кобалтова основа, тъй като те осигуряват по-висока енергийна плътност, което означава по-голям пробег с по-малък комплект батерии. И двата компонента обаче са скъпи за добив и сравнително редки, така че не са подходящи за масово производство на електромобили. Литиево-йонните батерии традиционно се използват в повечето преносими електронни устройства. Относително ниската им енергийна плътност обаче ограничава използването им в електрическите превозни средства. Учените работят за повишаване на ефективността и мощността на тези батерии.

Използването на манган като компонент на анодния материал на литиево-йонните батерии (например в съединения от типа LiMnO2) се изследва активно. Въпреки това ниската производителност на тези електроди ограничава практическото им приложение. Учени от Япония са намерили решение на този проблем в най-новата си научна работа.

Изследвайки различните форми на съединенията на LiMnO2 с помощта на рентгенова дифракция, сканираща електронна микроскопия и електрохимични методи, учените откриват, че определена кристална структура (мономорфна слоеста област) е в състояние да предизвика промяна в структурата на това съединение. В резултат на това то става по-подобно на минерала шпинел. Тази промяна в структурата подобрява работата на електродния материал, като улеснява фазовия преход. Без нея батериите биха работили по-неефективно.

Изследователите са успели директно да синтезират наноструктуриран LiMnO2 с моноклинна слоеста домейнна структура и висока специфична повърхност чрез проста реакция в твърдо състояние. Този метод елиминира необходимостта от междинни стъпки и позволява получаването на целевия продукт чрез директно изпичане на двата начални компонента.

Тестовете показват, че батерия с електрод от LiMnO2 постига енергийна плътност от 820Wh на kg в сравнение със 750Wh на kg за никел-кобалтови батерии. Батериите, съдържащи само литий, имат още по-ниска енергийна плътност от 500Wh на kg.

Изследователите съобщават, че манганът, използван в други полиморфни модификации, обикновено показва наполовина по-ниска енергийна плътност. В предишни изследвания, в които е използван манган, изходното напрежение е намалявало с течение на времето, което е довело до по-лоша работа на електронните устройства. При електрода от LiMnO2 обаче такъв ефект не е наблюдаван. Проблем остава разтварянето на мангана, причинено от фазовите преходи и киселинната среда. За да го предотвратят, учените предлагат използването на концентриран електролит и литиево фосфатно покритие.