Быстрое развитие электромобилей и мощных электронных устройств привело к росту спроса на литий-ионные батареи со сверхбыстрой зарядкой. Тем не менее, современные литий-ионные перезаряжаемые батареи страдают от значительного снижения мощности в процессе быстрой зарядки и могут даже привести к катастрофическим отказам, что повышает риски для безопасности. Это в основном связано с электрохимической нестабильностью на границе раздела анод-электролит, вызывающей вредное осаждение металлического лития на поверхности батареи и низкую термическую стабильность.
В последние годы высоковольтные анодные материалы стали весьма перспективной альтернативой для предотвращения чрезмерного осаждения лития и образования нестабильных слоев твердого электролита (SEI). Несмотря на эти преимущества, современные материалы по-прежнему ограничены неудовлетворительной ионной проводимостью и термической стабильностью, что снижает выходную мощность и долговременную надежность.
Согласно сообщениям зарубежных СМИ, для решения этих проблем исследовательская группа под руководством доцента Донвука Хана из Сеульского национального университета науки и технологий разработала нестехиометрический (OS) анодный материал из фосфата лития-титана со структурой типа NASICON. Этот материал хорошо известен своей исключительной структурной и термической стабильностью. Такая конструкция позволяет вызывать спонтанные фазовые превращения под поверхностью частиц активного материала, преодолевая кинетические ограничения и обеспечивая стабильную быструю зарядку.
Результаты соответствующих исследований были опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
Модуляция поверхности для ускоренного переноса ионов
Литий-титановый фосфат (ЛТФ) обладает структурой типа натриевого суперионного проводника (НАСИКОН), которая отличается выдающейся структурной и термической стабильностью, а также быстрыми каналами диффузии ионов лития. Для раскрытия его полного потенциала исследователи применили нестехиометрическую стратегию проектирования и намеренно увеличили соотношение фосфора (P) к титану (Ti). Такой дефицит титана в составе приводит к образованию доменов фосфата титана (ФТФ) вблизи поверхности частиц ЛТФ.
Эти богатые TPO области действуют как высокоэффективные кинетические каналы, снижая энергетический барьер для переноса ионов лития через границу раздела анод-электролит и создавая быстрые пути переноса ионов вблизи поверхностей частиц. Кроме того, высокогибкие связи P-O-P в структуре TPO обеспечивают структурную гибкость, позволяя адаптироваться к изменению объема во время циклов быстрой зарядки и защищая структуру типа NASICON от необратимых повреждений.
Надежная работа в условиях быстрой зарядки.
Соответственно, в тестах на скорость зарядки, являющихся важнейшим показателем для оценки емкости при быстрой зарядке, композитный анод OS-LTP-углерод (OS-LTP/C) сохранил замечательные 86% своей первоначальной емкости при скорости зарядки 10C, в то время как емкость исходного композитного анода LTP/C резко снизилась.
Этот материал также демонстрирует превосходную стабильность при циклической работе после более чем 250 циклов. Конфигурации полноячеечных элементов показывают аналогично высокие скоростные характеристики и широкую совместимость с высоковольтными катодами.
Более широкий путь к созданию более безопасных батарей
«Наш метод создает совершенно новую парадигму проектирования быстрозаряжаемых батарей и может широко применяться в различных будущих системах хранения энергии, включая твердотельные батареи», — отметил Хан. «Эта стратегия проектирования может сделать электромобили более практичными за счет сокращения времени зарядки, повышения безопасности и поддержки энергосетей, использующих возобновляемые источники энергии».
В заключение, данная стратегия проектирования с отклонением от стехиометрического состава решает одну из основных проблем, с которыми сталкиваются перезаряжаемые батареи, и предлагает перспективный подход к созданию готовой к коммерческому применению технологии сверхбыстрой зарядки и хранения энергии.
Дата публикации: 07.08.2026