Частицы титаната лантана лития обеспечивают высокую плотность мощности даже микрометрового размера — публикация в Nature Communications

Первоначально опубликовано в Технологическом институте Карлсруэ (KIT)

Исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) и Цзилиньского университета в Чанчуне/Китай исследовали многообещающий анодный материал для будущих высокоэффективных аккумуляторов – титанат лития-лантана с кристаллической структурой перовскита (LLTO). Как сообщила команда в журнале Nature Communications, LLTO может улучшить плотность энергии, удельную мощность, скорость зарядки, безопасность и срок службы батарей, не требуя уменьшения размера частиц с микро- до наноразмера. (DOI:10.1038/s41467-020-17233-1)

Спрос на электромобили растет, что сопровождается растущей потребностью в интеллектуальных сетях, обеспечивающих устойчивое энергоснабжение. Эти и другие мобильные и стационарные технологии требуют подходящих аккумуляторов. Хранение как можно большего количества энергии в минимально возможном пространстве при минимально возможном весе — литий-ионные батареи (LIB) по-прежнему лучше всего отвечают этому требованию. Исследование направлено на улучшение плотности энергии, удельной мощности, безопасности и срока службы этих батарей. Материал электрода имеет здесь большое значение. Аноды литий-ионных аккумуляторов состоят из токосъемника и нанесенного на него активного материала, запасающего энергию в виде химических связей. В большинстве случаев в качестве активного материала используется графит. Однако отрицательные электроды из графита имеют низкую скорость зарядки. Кроме того, они связаны с вопросами безопасности. Среди альтернативных активных материалов оксид титаната лития (LTO) уже поступил в продажу. Отрицательные электроды с LTO обеспечивают более высокую скорость зарядки и считаются более безопасными, чем электроды из графита. Недостатком является то, что литий-ионные батареи с оксидом титаната лития, как правило, имеют более низкую плотность энергии.

Ниже:Рис. 1:Структурные свойства свежеприготовленного LLTO.

От: Литий-лантан-титанат-перовскит в качестве анода для литий-ионных аккумуляторов

схематическая кристаллическая структура; b уточнение по методу Ритвельда на основе порошковой рентгенограммы; c HAADF-изображения большой площади перовскитов LLTO вдоль оси зоны [100]. Масштабная линейка:5 нм; d HAADF-STEM изображение LLTO. Масштабная линейка:2 нм; e ABF-STEM-изображение; f Увеличение HAADF-STEM; g Увеличенное изображение ABF-STEM. Зеленые, синие и красные шарики в e и g обозначают атомы La, Ti и O соответственно.

Команда во главе с профессором Гельмутом Эренбергом, руководителем Института прикладных материалов — систем накопления энергии (IAM-ESS) KIT, теперь исследовала еще один многообещающий анодный материал:титанат лития-лантана с кристаллической структурой перовскита (LLTO). Согласно исследованию, проведенному в сотрудничестве с учеными из Цзилиньского университета в Чанчуне (Китай) и других научно-исследовательских институтов Китая и Сингапура, аноды LLTO имеют более низкий электродный потенциал по сравнению с коммерческими анодами LTO, что позволяет использовать более высокое напряжение на ячейке. и более высокая емкость.

<цитата>

Напряжение элемента и емкость аккумулятора в конечном итоге определяют плотность энергии батареи», — объясняет Эренберг. «В будущем аноды LLTO можно будет использовать для создания особо безопасных высокопроизводительных элементов с длительным сроком службы».

Исследование способствует работе исследовательской платформы по электрохимическому хранению CELEST (Центр электрохимического хранения энергии в Ульме и Карлсруэ), одной из крупнейших в мире платформ по исследованию аккумуляторов, в которую также входит кластер передового опыта POLiS.

Помимо плотности энергии, удельной мощности, безопасности и срока службы, скорость зарядки является еще одним определяющим фактором пригодности аккумулятора для требовательных приложений. В принципе, максимальный ток разряда и минимальное время зарядки зависят от переноса ионов и электронов как внутри твердого тела, так и на границах между материалами электрода и электролита. Чтобы улучшить скорость зарядки, обычной практикой является уменьшение размера частиц электродного материала с микро- до наноразмера. Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications исследователями KIT и их партнерами по сотрудничеству, показывает, что даже частицы размером в несколько микрометров в LLTO со структурой перовскита обладают более высокой удельной мощностью и лучшей скоростью зарядки, чем наночастицы LTO. Исследовательская группа связывает это с так называемой псевдоемкостью LLTO:к этому материалу анода присоединяются не только отдельные электроны, но и заряженные ионы, которые связаны слабыми силами и могут обратимо передавать заряды аноду. «Благодаря более крупным частицам LLTO позволяет упростить и удешевить процессы производства электродов», — объясняет Эренберг.

Исходная публикация (открытый доступ):

Лу Чжан, Сяохуа Чжан, Гуйин Тянь, Цинхуа Чжан, Майкл Кнапп, Гельмут Эренберг, Ган Чен, Зесян Шен, Гочунь Ян, Лин Гу и Фей Ду:Перовскит титаната лантана лития в качестве анода для литий-ионных аккумуляторов. Nature Communications, 2020. DOI:10.1038/s41467-020-17233-1

Избранное изображение:Схематическое изображение кристаллической структуры перовскита титаната лития-лантана. (Иллюстрация:Фэй Ду/Цзилиньский университет)

Дополнительные материалы:

Публикация в Nature Communications:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17233-1

Пресс-служба предоставлена ​​КИТ Энергоцентр