Тайните на литиево-йонните батерии

След откриването му преди 15 години литиево-железният фосфат (LiFePO4) постепенно се превърна в един от най-обещаващите материали за презареждане на батерии благодарение на своята стабилност, издръжливост, безопасност и способност да достави голямо количество енергия наведнъж.

През годините това вещество е било във фокуса на множество големи изследователски проекти по целия свят. Но въпреки високият интерес към него, причините за необичайните му качества оставаха неизяснени.

Сега изследователят от Масачузетския технологичен институт Мартин Базант представи изненадващи нови резултати, които показват, че при използване литиево-железният фосфат има доста по-различно поведение, отколкото се е смятало до момента. Откритието може да доведе до създаването на още по-ефективни батерии в бъдеще, пише MITnews.

Когато бил открит, литиево-йонният фосфат бил сметнат за полезен единствено за приложения, изискващи нисък разход на енергия. По-късните разработки обаче показали, че енергийният му капацитет може да се подобри драстично, ако бъде оформен във вид на наноматериал.

Първоначално учените вярвали, че свойствата на литиево-железния фосфат се дължат на способността му на вътрешно прегрупиране на атомите при зареждане и разреждане, което променяло концентрацията на литий в различните области на отделните елементи в батерията. Новото изследване обаче показва, че в повечето случай подобно преразпределяне изобщо не се случва.

Според новата теория на Базант при протичане на електрическия поток с определена големина, свойствата на литиево-железния фосфат се променяли драматично – процесите в него протичали толкова бързо, че той губел тенденция към прегрупиране, което се наблюдавало при протичане на ток с по-малка големина.

Тази способност обяснява защо литиево-железният фосфат е подходящ за употреба в зарядните батерии с голям капацитет, казва Базант.

Предишните изследвания на този материал са били фокусирани единствено върху поведението на литиево-железния фосфат в даден времеви момент, като динамиката на измененията му била игнорирана.

Учените обаче се фокусирали върху начина, по който материалът се променя при зареждане и разреждане на батерията. Това им помогнало да открият, че при работа на батерията литият в нея се подрежда по начини, които ѝ предават необичайни свойства. Тя ставала по-здрава и издръжлива при по-високо натоварване и температура – противно на свойствата на повечето познати на човека материали.

Днес литиево-железният фосфат се използва в литиево-йонните батерии, захранващи различни превозни средства (автомобили, атобуси) както и ръчни инструменти, изискващи по-висока мощност. За потребителската електроника – лаптопи, смартфони и таблети – обикновено се използват батерии, съдържащи литиево-кобалтов оксид (LiCoO₂ ).