Металлоорганический гибридный электродный материал для литиевых аккумуляторов с повышенным окислительно-восстановительным потенциалом, способный работать при температурах до -20 °C, разработали ученые Корейского института энергетических исследований (KIER), 22 августа сообщает сайт новостей науки EurekAlert со ссылкой на пресс-службу корейского Национального исследовательского совета по науке и технологиям.

Этот редокс-активный материал, получивший название SKIER-5, устраняет ограничения, связанные с использованием графита в качестве анодного материала для литиевых батарей. Сейчас обычным материалом, используемым для изготовления анодов в литий-ионных аккумуляторах, является графит, что обусловлено его термодинамической стабильностью и низкой стоимостью.

Однако у аккумуляторов с графитовыми анодами емкость при отрицательных температурах резко снижается, а во время зарядки на поверхности анода могут образовываться дендриты лития — кристаллы древовидной структуры, что может вызывать перегрев, способный привести к взрыву.

Это происходит в случае, когда некоторое количество лития накапливается не в материале анода, а на его поверхности в виде вытянутой ветви. Если такие ветви вырастут достаточно большими, то, проникая через мембрану, разделяющую катод и анод, они, достигнув катода, вызовут короткое замыкание, которое может привести к взрыву.

Для замены графита группа исследователей под руководством докторов Чонджуна Ю, Кангхуна Йима и Хен Кима из KIER разработала из органического лиганда на основе триантрена и ионов никеля редокс-активный проводящий металлоорганический каркас SKIER-5.

Исследования показали, что при отрицательных температурах мощность разряда SKIER-5 в пять раз выше, чем у графита. Разрядная емкость анода из SKIER-5 составляет 440 мАч/г, что превышает 375 мАч/г графитового электрода при комнатной температуре.

Особенно интересно, что после 1600 циклов зарядки-разрядки емкость, которая обычно в этом случае снижается, наоборот, увеличилась примерно в 1,5 раза, составив 600 мАч/г.

Исследования с помощью высокопоточного рентгеновского анализа подтвердили окислительно-восстановительный механизм SKIER-5. В отличие от графита, SKIER-5, содержащий ионы никеля и органические лиганды на основе гетероатомов азота, фосфора и серы, взаимодействует с ионами лития, инициируя окислительно-восстановительные реакции, включающие перенос электронов.

Этот процесс позволяет увеличить количество электронов, создавая более высокую разрядную емкость. При этом при температуре -20 °C у SKIER-5 достигнута разрядная емкость 150 мАч/г, что в пять раз выше, чем у графита при такой температуре.

Такую высокую производительность по сравнению с графитом обеспечивает более низкий у SKIER-5 минимальный энергетический порог для инициирования химических реакций. Поэтому SKIER-5 сохраняет стабильные рабочие характеристики в условиях низких температур, где скорость реакции обычно снижается.

Принцип работы SKIER-5 был подтвержден с помощью фундаментальных расчетов, основанных на квантовой химии. Чтобы с помощью таких расчетов предсказать теоретическую емкость материала и напряжение реакции, исследовательская группа сначала определила кристаллическую структуру SKIER-5, которая соответствовала результатам рентгеноструктурного анализа, и предсказала места адсорбции лития.

Теоретические значения полностью соответствовали результатам экспериментов, подтверждая замечательные характеристики SKIER-5 при использовании его в качестве анода литиевой батареи.

Результаты исследования были представлены в статье «Редокс-активный проводящий металлоорганический каркас с высокой литиевой емкостью при низких температурах», опубликованной на первой странице Journal of Materials Chemistry A (импакт-фактор 10,7).