Литий-ионные аккумуляторы с высокой плотностью энергии (Li-ion) незаменимы для питания электрических и гибридных транспортных средств, электроники следующего поколения и электросетей. Эти литий-ионные аккумуляторы содержат катоды с высокой плотностью энергии на основе оксидов переходных металлов. Среди многочисленных исследованных потенциальных материалов линия1/3Мин.1/3Ко1/3O2 Было показано, что катод обеспечивает наилучшую производительность при высоком потенциале 4,5 В по сравнению с Li / Li + с высокой обратимой емкостью.
Однако при таких высоких потенциалах карбонатные соединения в коммерческих электролитах - этиленкарбонат и диэтилкарбонат - подвергаются чрезмерному окислительному разложению. Это, в свою очередь, образует толстую межфазную среду катод-электролит (CEI) на поверхности катода, что серьезно снижает его производительность. Следовательно, исследователи изучили добавки в электролит как способ ограничить ухудшение эксплуатационных характеристик путем маскировки и стабилизации поверхности катода. Однако доступные в настоящее время варианты представляют опасность для безопасности и окружающей среды.
Недавно группа исследователей, возглавляемая профессором Нориеси Мацуми из Японского передового института науки и технологий (JAIST), микробиологически синтезировала 2,5-диметил-3,6-бис (4-аминобензил)пиразин (DMBAP), соединение на биологической основе, в качестве потенциальной добавки для стабилизации линии1/3Мин.1/3Ко1/3O2 катоды. Что отличает их подход, так это тот факт, что, в отличие от существующих добавок, DMBAP устойчив, экологичен, экономичен и нетоксичен.
В состав команды входили бывший старший преподаватель Раджашекар Бадам, аспирант Агман Гупта и студент докторантуры Нориюки Такамори из JAIST, а также профессор Наоки Такая, доцент Сюнсуке Масуо и бывший аспирант Хадзиме Минакава из Университета Цукубы в Японии. Их выводы были опубликованы в журнале Scientific Reports.
"Хотя материалы, полученные из биомассы, привлекают как исследователей, так и общество в целом, их применение в электрических устройствах, включая литий-ионные аккумуляторы, все еще ограничено. Это исследование сосредоточено на новых микробных метаболитах, в частности на уникальном производном пиразина диамине DMBAP из кластера генов Pseudomonas fluorescens SBW25, обнаруженном в сотрудничестве с проф. Масуо. Его роль в качестве добавки к электролиту может повлиять на области устойчивого развития и индустрию интеллектуальных элементов", - объясняет профессор. Такая, кстати, о мотивации, стоящей за исследованием.
Первоначальная теоретическая оценка показала, что самая высокая занятая молекулярная орбиталь (HOMO) молекулы DMBAP расположена в более высоком положении по сравнению с электролитом общего назначения. Это позволило ему легко окисляться на поверхности катода и образовывать над ним защитный слой. Кроме того, диамин в DMBAP предотвращал растворение CEI.
Команда дополнительно провела подробную электрохимическую оценку DMBAP для дальнейшего анализа. Энергия зоны HOMO была подтверждена с помощью линейной вольтамперометрии с разверткой, в то время как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия выявила пики C-N = C, указывающие на окислительную электрополимеризацию. Циклическая вольтамперометрия и исследования заряда-разряда показали, что добавка DMBAP стабилизировала линейный1/3Мин.1/3Ко1/3O2 катод за счет улучшения быстродействия батареи, циклической стабильности, кулоновской эффективности и сохранения емкости. Более того, эксперименты по динамической электрохимической импедансной спектроскопии продемонстрировали формирование низкого межфазного сопротивления CEI.
Основываясь на этих результатах, команда пришла к выводу, что DMBAP подвергся жертвенному окислительному разложению, образуя органическую пассивирующую броню на поверхности катода. Это, в свою очередь, ограничило чрезмерную деградацию электролита и стабилизировало структуру оксидов переходных металлов на катоде. По сути, это благотворное явление увеличивает окно рабочего потенциала LiNi1/3Мин.1/3Ко1/3O2 катод до 4,5 В по сравнению с Li / Li+. Более того, стабилизирующий эффект DMBAP на аккумуляторную систему был замечательным как для полуэлементных, так и для полноэлементных конфигураций.
"Микробиологически приготовленное пиразин-аминовое соединение DMBAP повысит производительность литий-ионных вторичных аккумуляторов, необходимых для электромобилей следующего поколения и беспилотных летательных аппаратов. Это также будет способствовать более широкому использованию биоресурсов в крупномасштабной автомобильной промышленности. Кроме того, материалы на биологической основе для устройств хранения энергии позволят вдвое сократить выбросы углекислого газа - во время производства и эксплуатации", - говорит профессор. Мацуми, обсуждает будущие выгоды от их работы.
Комментарии