Новости: Новые Материалы

Кажется, что тема электродов для литий-ионных батарей уже настолько досконально исследована, что разработать что-то принципиальное новое в этой области необычайно трудно. Однако, как оказывается, пытливые умы исследователей не перестают поиски материала электрода, который удовлетворяет множеству, зачастую противоречивых, требований, предъявляемых к материалам электрода для литий-ионных батарей. Одной из ключевых проблем является достаточно быстрый транспорт ионов и электронов. Лишь немногие материалы отвечают этому критерию (например, сульфид серебра), в то время, куда большее число материалов обеспечивают быстрый транспорт электронов, демонстрируя при этом недостаточную ионную проводимость (например, углеродные материалы). Казалось бы, выход может быть найден, если использовать нанопористые углеродные структуры, где ионная проводимость обеспечивается жидким электролитом, проникающим сквозь поры, однако низкая проводимость на границе электролит – твердое тело остается камнем предкновения для ученых.

Как известно, УНТ являются хорошим материалом для накопления ионов лития, способным быстро интеркалировать/деинтеркалировать ионы лития при низких напряжениях. Однако из-за реакций, протекающих между УНТ и электролитом, время работы таких электродов невелико. В свою очередь, проводились исследования, в которых в качестве материала электрода выступал TiO₂, благодаря своей высокой емкости и химической стабильности. Поэтому международный коллектив исследователей предложил совместить воедино фазы TiO₂ и УНТ в виде коаксиального нанокабеля (рис.1). С одной стороны, диоксид титана благоприятствует хранению ионов лития в УНТ, обеспечивая быстрый доступ ионов, с другой, УНТ, будучи хорошим электронным проводником, способствует хранению ионов лития в TiO₂. Иными словами, емкость электрода, представляющего собой трехмерную структуру, построенную из коаксиальных нанокабелей (УНТ@TiO₂), превосходит емкости электродов из TiO₂ и УНТ в отдельности.
Для получения такого коаксиального кабеля исследователи провели контролируемый гидролиз тетрабутоксититана в присутствии УНТ, предварительно обработанного азотной кислотой для улучшения адгезии между УНТ и TiO₂ (рис.2). Для того, чтобы доказать свое предположение о том, что электрохимические свойства УНТ@TiO₂ превосходят свойства каждого из компонентов, авторами статьи была собрана ячейка, на которой исследовались свойства трех электродов – УНТ, TiO₂ УНТ@TiO₂ (рис.3). Оказалось, что для композитного электрода удельная емкость, приписываемая TiO₂, достигает 212 мАч/г (в пересчете на массу TiO₂), что гораздо больше емкости чистого TiO₂ (66 мАч/г). В свою очередь, удельная емкость, приписываемая УНТ, также превосходит емкость чистых УНТ, обработанных азотной кислотой (406 мАч/г против 367 мАч/г при плотности тока 50 мА/г). Еще более значительная разница наблюдается при более высоких плотностях тока: при 3000 мА/г УНТ@TiO₂ обладает удельной емкостью 244 мАч/г в области напряжений 0.01 и 3В, в котором УНТ без покрытия TiO₂ имеет емкость 74 мАч/г, а TiO₂ без УНТ вообще не накапливает ионов лития. Эти результаты говорят о том, что покрытие УНТ слоем TiO₂ увеличивает его емкость в 3 раза. Еще одной отличительной чертой полученного электрода является долговечность: практически не наблюдается уменьшение удельной емкости спустя 100 циклов зарядки/разрядки при плотности тока 1000 мА/г.