Japonští vědci objevili revoluční materiál pro baterie: Levnější, trvanlivější a ekologičtější

Vědci z Výzkumného institutu pro pokročilé materiály (WPI-AIMR) na Univerzitě Tohoku v Japonsku se obrátili k oxidům bohatým na mangan, aby vytvořili dlouhotrvající katody s téměř dokonalým cyklickým výkonem, což představuje významný pokrok pro lithium-iontové baterie.

Lithium-iontové baterie jsou základem naší transformace k elektrifikované ekonomice. Umožňují ukládání obnovitelné energie ze slunce a větru a pohánějí elektrická vozidla na dlouhé vzdálenosti bez emisí. Od malých nositelných zařízení po masivní systémy pro ukládání energie, lithium-iontové baterie jsou všudypřítomné.

Jejich rozsáhlé využití však není bez problémů. Kobalt je důležitou součástí designu lithium-iontových baterií a je také poměrně drahý. Kromě problémů s neetickou těžbou tohoto cenného prvku vytváří rozsáhlé používání lithium-iontových baterií více environmentálních problémů, než kolik jich řeší.

Katoda a anoda jsou dvě elektrody v baterii a jejich výkon určuje, jak se baterie časem chová. Katody jsou relativně nákladnější na výrobu a přechod od kobaltu k manganu může být efektivním způsobem, jak snížit náklady.

Předchozí pokusy o použití manganu, hojně dostupného prvku, v lithium-iontových bateriích se však setkaly se závažnými problémy. Jedním z nich jsou Jahn-Tellerovy zkreslení, kdy se nelineární molekuly s prostorově degenerovaným elektronovým základním stavem podrobují geometrickému zkreslení, aby snížily svou celkovou energii.

Výzkumníci z WPI-AIMR použili „mezifázové orbitální inženýrství“ k řešení strukturálních výzev, které sužují vývoj baterií na bázi manganu po desetiletí.

Co je mezifázové orbitální inženýrství? Předchozí pokusy o potlačení Jahn-Tellerových zkreslení v iontech manganu se spoléhaly na dopování nebo makroskopické povlaky na katodách. Japonský tým se však rozhodl řešit základní příčinu problému a hledal řešení, které by fungovalo na atomární úrovni k potlačení Jahn-Tellerových zkreslení.

Následně použili „orbitální geometrickou frustraci“ na nekolineárních rozhraních, aby zabránili elektronům současně minimalizovat svou energii, a úspěšně neutralizovali Jahn-Tellerova zkreslení, která vedou ke kolapsu materiálu.

Design, založený na topologii elektronových orbitalů, pomáhá dosáhnout téměř dokonalé cyklické stability, protože výzkumníci nezaznamenali žádnou degradaci katody ani po 500 cyklech. Důležitější je, že to také pomohlo výzkumníkům propojit elektrochemii a fyziku pevných látek a vytvořit nový paradigmat pro materiály odolné vůči zkreslení.

Přechod na mangan, hojně dostupnou a nízkonákladovou alternativu ke kobaltu, také zajišťuje, že lithium-iontové baterie postavené s touto technologií budou levnější, odolnější a ekologičtější.

Pro aplikace, jako jsou elektrická vozidla, by to znamenalo dostupnější ceny automobilů a spolehlivý dojezd z bateriového balíčku, bez obav z degradace v průběhu času.

Větší měřítko těchto manganovo-lithiových oxidových baterií pomůže ukládat velké množství obnovitelné energie, která může být dodávána během špičkové poptávky. To povede k čistší a zelenější ekonomice za nižší náklady.

Vzhledem k nákladovým výhodám manganu představují oxidy na bázi manganu také nejpříslibnější komerční katodové materiály pro sodíko-iontové baterie, dodal Hao Li, profesor na WPI-AIMR v tiskové zprávě. To otevírá potenciální využití této technologie, jak se baterie vyvíjejí, aby využívaly ještě hojnější zdroje na planetě.

Výsledky výzkumu byly publikovány v časopise Journal of the American Chemical Society.