Исследователь-химик Сюлей Цзи из Университета штата Орегон возглавил инициативу по разработке железа в качестве перспективного и устойчивого катодного материала для литий-ионных батарей, который может заменить дорогостоящие кобальт и никель. Это нововведение обещает повысить энергоемкость, снизить затраты и улучшить безопасность. Поскольку железо является обильным ресурсом, эта разработка может стать важным шагом к более устойчивым аккумуляторным технологиям.
Исследование, недавно опубликованное в журнале Science Advances, имеет важное значение по нескольким причинам. Цзи отметил:
Мы изменили реакционную способность металлического железа, самого дешевого из всех металлов. Наш электрод может обеспечить более высокую плотность энергии, чем современные катодные материалы в электромобилях. И поскольку мы используем железо, стоимость которого составляет менее доллара за килограмм, наши батареи могут быть значительно дешевле.
Экономические и экологические преимущества железных катодов Сейчас катод составляет половину стоимости литий-ионной батареи. Катоды на основе железа могут не только снизить затраты, но и повысить безопасность и экологичность батарей. С ростом спроса на литий-ионные аккумуляторы для электромобилей мировые поставки никеля и кобальта становятся ограниченными, что угрожает будущему производству.
Кроме того, плотность энергии современных элементов уже достигла предела. Дальнейшее повышение плотности может привести к выделению кислорода при зарядке, что повышает риск возгорания. Кобальт также токсичен и может загрязнять экосистемы и водные источники. Цзи пояснил, что важность поиска новых, более устойчивых материалов для батарей становится очевидной.
Аккумулятор хранит энергию в виде химической энергии и преобразует её в электрическую, необходимую для питания транспортных средств, ноутбуков и других устройств. Батарея состоит из двух электродов — анода и катода, обычно изготовленных из разных материалов, а также сепаратора и электролита, обеспечивающего поток электрического заряда. Во время разряда электроны перетекают из анода во внешнюю цепь, а затем собираются на катоде.
В литий-ионной батарее заряд передается через ионы лития, которые перемещаются через электролит от анода к катоду при разряде и обратно при зарядке. Инновационный химический дизайн повышает реакционную способность железа Цзи и его коллеги из нескольких университетов и национальных лабораторий увеличили реакционную способность железа в катоде, разработав химическую среду на основе смеси анионов фтора и фосфата. Эта смесь позволяет обратимое преобразование железного порошка, фторида лития и фосфата лития в соли железа.
Однако, по словам Цзи, эффективность хранения данных ещё нуждается в улучшении. В настоящее время не вся энергия, поступившая в батарею при зарядке, доступна после разряда. Когда эти улучшения будут внесены, батареи станут работать лучше, стоить меньше и быть экологичнее.
