Надежда розовая: порошок, который Дженнифер Людвиг осторожно наливает в стеклянную миску и который светится розовым светом лабораторной лампы, способен сделать батареи еще более мощными в будущем. «Фосфат лития-кобальта может хранить значительно больше энергии, чем обычные катодные материалы», - объясняет химик. Сотрудник Тома Нильгеса, профессора по синтезу и характеристике инновационных материалов, разработал процесс, с помощью которого розовый порошок может быть получен быстро, с низким энергопотреблением и в наилучшем качестве.
Фосфат лития-кобальта уже давно стал материалом для будущих исследователей аккумуляторов. Он работает при более высоком напряжении, чем ранее использовавшийся литий-фосфат железа, и, следовательно, достигает более высокой плотности энергии - 800 ватт-часов на килограмм вместо чуть менее 600 ватт-часов.
Картинная галерея
Предыдущие процессы: дорогие и энергоемкие
Однако до сих пор производство перспективного высоковольтного катодного материала было сложным, энергоемким и не очень эффективным: требовались жесткие условия с температурой 900 градусов.
«Кристаллы, которые образуются в этих экстремальных условиях, также имеют разные размеры и должны быть сначала измельчены до нанокристаллического порошка на втором энергоемком этапе», - сообщает Людвиг.
Полученные гранулы также имеют достаточную ионную проводимость только в одном направлении. Химическая реакция между материалом электрода и электролитом в батарее протекает медленно на большей части поверхности.
Маленькая микроволновая печь и полчаса достаточно
Микроволновый синтез, разработанный Дженнифер Людвиг, решает все эти проблемы одним махом: все, что требуется для получения высокочистого фосфата лития-кобальта, - это небольшое микроволновое устройство и полчаса.
Реагенты нагревают вместе с растворителем в тефлоновом контейнере. Всего 600 ватт мощности достаточно для создания необходимой температуры 250 градусов и стимулирования образования кристаллов.
Полученные плоские пластинки имеют диаметр менее одного микрометра, толщину несколько сотен нанометров, а ось максимальной проводимости ориентирована к поверхности. «Эта форма обеспечивает лучшие электрохимические характеристики, потому что ионы лития должны только перемещаться в кристалле на короткие расстояния», - объясняет Людвиг.
Целевой контроль реакции
Химик смог решить еще одну проблему в своих экспериментах: при температуре свыше 200 градусов и под высоким давлением иногда возникает желаемый фосфат-гидроксид кобальта, а не желаемый фосфат лития-кобальта.
Дженнифер Людвиг удалось выяснить путь реакции, выделить химическое соединение и определить его структуру и свойства. Поскольку новое соединение непригодно в качестве материала батареи, оно изменило условия реакции, так что образуется только желаемый фосфат лития-кобальта. «Благодаря новому производственному процессу мы можем адаптировать высокопроизводительные кристаллы литий-кобальтового фосфата пластинчатой формы к высокому стандарту», - говорит профессор Нильгес. «Это преодолело еще одно препятствие на пути к новым высоковольтным материалам».
Награда Evonik за разработку нового процесса синтеза
Работа Дженнифер Людвиг была поддержана Высшей школой TUM, BMW и Fonds der Chemischen Industrie. Исследование электрохимических свойств проводилось в сотрудничестве с кафедрой технической электрохимии в Техническом университете Мюнхена. Структура и свойства комплексного гидрофосфата гидроксида кобальта были исследованы в сотрудничестве с Национальной лабораторией Лоуренса Беркли (LBNL), Стэнфордским источником синхротронного излучения (SSRL) и Институтом Вальтера-Мейснера (WMI). Дженнифер Людвиг получила награду Evonik Research Award за разработку своего нового процесса синтеза, который химическая группа ежегодно присуждает выдающимся молодым ученым. (Ага)