Економічний спосіб отримання катодного матеріалу покращить літій-іонні акумулятори.
Літій-іонні акумулятори залишаються основними джерелами накопичення енергії, зокрема в електротранспорті. Вони поділяються на типи в залежності від матеріалу катода. Звичайно, свій внесок вносять і другий електрод акумулятора — анод — та інші компоненти, але саме склад і структура катодного матеріалу в першу чергу визначають кінцеві характеристики акумулятора: енергоємність, потужність, вартість, безпеку та термін служби. Різні матеріали катода обираються в залежності від сфери застосування. Так, акумулятори на основі літій-нікель-марганець-кобальт-оксидних катодів (NMC) мають високу енергоємність, що робить їх фаворитами для електромобілів з великим запасом ходу.
«Ми вдосконалюємо технологію отримання літій-залізо-фосфатних катодних матеріалів (LFP) для літій-іонних акумуляторів. Вони дешевші, ніж NMC, і служать довше. Незважаючи на нижчу щільність енергії, LFP застосовуються для акумуляторів міських електромобілів, призначених для поїздок малої та середньої дальності, а також для електробусів і вилкових навантажувачів», — розповідає один із авторів патенту, молодший науковий співробітник Центру енергетичних технологій Сколтеху Ельвіра Стюф.
«Крім того, важливим є фактор безпеки, причому не лише в електротранспорті, — додає співавтор патенту, заслужений професор Центру енергетичних технологій Сколтеху Артем Абакумов, лауреат премії «Виклик». — Акумулятори на основі літій-залізо-фосфату більш стійкі до перегріву та менше піддаються вибухам і займанням, навіть при пошкодженні. Підвищена безпека в поєднанні з хорошими ємнісними та потужнісними характеристиками роблять цей вид акумулятора підходящим для потреб резервного живлення під час перебоїв з електропостачанням і накопичення сонячної та вітрової енергії».
Запатентований Сколтехом спосіб виготовлення LFP дозволяє отримати матеріал у вигляді мікрочастинок сферичної форми, що забезпечує їх більш щільну упаковку, що дозволяє створити літій-іонний акумулятор з підвищеною щільністю енергії: він буде накопичувати більше енергії в тому ж обсязі.
LFP синтезують шляхом високотемпературної обробки прекурсора, тобто матеріалу-попередника. Останній має вигляд оранжевого порошку і отримується розпиленням водної суспензії реагентів у потоці гарячого повітря. Малі краплі суспензії миттєво висихають — залишаються сферичні частинки порошку. Виявляється, що якщо сушити краплі не гарячим повітрям, а з використанням мікрохвильового випромінювання, то всі вихідні речовини в кожній сферичній частині будуть розподілені рівномірніше.
Це дозволяє при подальшій термообробці створити однорідне вуглецеве токопровідне покриття, що обволікає частинки матеріалу, і досягти високої електрохімічної ємності та більш стабільної роботи катода. Крім того, описаний у патенті спосіб виробництва матеріалу швидший та економить близько чверті тієї електроенергії, яка зазвичай витрачається установкою для розпилювальної сушки гарячим повітрям.
«Цей ефект пояснюється тим, що прогрів розпилюваних крапель здійснюється з їх центру до периферії за рахунок прямого впливу мікроволнових хвиль, а не навпаки, як у випадку сушіння гарячим повітрям, — пояснює співавтор винаходу старший науковий співробітник Центру енергетичних технологій Сколтеху Олександра Савіна. — Швидке видалення води з крапель суспензії за допомогою мікроволнового випромінювання дозволяє досягти рівномірного розподілу всіх компонентів по обсягу сферичних — або майже сферичних — конгломератів прекурсора. В результаті в катодному матеріалі утворюється більш розгалужена провідна вуглецева мережа. При традиційному підході ця мережа не така всепроникаюча, і потрапляються більш крупні непровідні ділянки. Електропровідність катода критично важлива для високої енергоємності акумулятора і його стабільної роботи протягом тривалого часу».
Винахід зареєстровано Роспатентом.