Сделав важный шаг на пути к созданию литий-ионных аккумуляторов с быстрой зарядкой и надежной возможностью повторного использования, исследователи из UNIST сделали новаторское открытие. Их исследование, опубликованное в ACS Energy Letters, представляет новую стратегию использования нанослоев фосфора для улучшения кинетики литиирования и эксплуатационных характеристик композитов на основе графита без ущерба для безопасности.

Исследовательская группа под руководством профессора Хен-Вук Ли из Школы энергетики и химической инженерии UNIST разработала революционный графит–фосфорный композит, используя метод испарения-конденсации. Этот композит состоит из пористого графитового катодного материала, покрытого красным фосфором и углеродом, что обеспечивает улучшенную электронную и литий-ионную проводимость поверхности графита.

Обеспечение быстрой зарядки аккумуляторов с надежной возможностью циклирования остается серьезной проблемой, такой как неравномерное литиирование, которое может привести к снижению производительности. Однако недавно разработанные графитово–фосфорные композитные электроды демонстрировали хорошо распределенную объемную долю фазы LiC6 по всему объему электродов, что указывает на однородный процесс литиирования.

Одним из замечательных достижений этого прорыва является стабильное сохранение цикла на уровне 94,4% и высокая кулоновская эффективность, превышающая 99,8% за 1000 циклов при 1С. Эти исключительные результаты объясняются улучшенной кинетикой реакции графитово–фосфорных композитных электродов, несмотря на их относительно высокую производительность.

(а) схематическое изображение, иллюстрирующее неоднородность реакции на графите на атомном, частичном и электродном уровнях. (b) ожидаемый градиент концентрации ионов Li по всему графитовому электроду во время зарядки при низкой и высокой C-скорости. (c) График зависимости напряжения от емкости наших композитов графит/фосфор (GP) (слева) и нормализованные профили напряжения композитов красный фосфор/углерод (справа, вверху) и голого графита (справа, внизу). Профили напряжений дают представление о термодинамике ансамблей активных материалов. (d) ожидаемое распределение ионов Li (и реакции) по глубине электрода с точки зрения кинетики чистого графита и наших композитов. Нанослой фосфора на частицах графита смягчает гетерогенные реакции, улучшая проникновение литий-ионов в основную часть электрода.

“Ожидается, что катодные материалы на основе графита будут доминировать на рынке литий-ионных аккумуляторов в течение следующего десятилетия”, – пояснил профессор Ли. “Наши исследования сосредоточены на повышении плотности энергии и способности графита к быстрой зарядке, которые являются ключевыми факторами на рынке. Разработка недорогих графитовых катодных материалов, покрытых красным фосфором и углеродом, в значительной степени удовлетворит потребности аккумуляторной промышленности”.

Использование красного фосфора с его низкой температурой кипения обеспечивает равномерное осаждение из паровой фазы на поверхности графита. Тщательно контролируя процесс осаждения, исследовательская группа успешно получила графитово–фосфорный композит с контролируемыми побочными реакциями, что привело к повышению однородности и стабильности при быстрой зарядке.

Для наблюдения и анализа разработанного композита были использованы методы оптической микроскопии в реальном времени и обработки изображений. Результаты подтвердили равномерное распределение цвета графит–фосфорного композита во время загрузки, что указывает на улучшенную однородность литиирования. Композит также продемонстрировал исключительную стабильность, при этом во время быстрой зарядки не наблюдалось образования полимерной фазы даже после 1000 циклов и более.

Это прорывное исследование открывает новые возможности для широкого спектра применений, включая электромобили, авиацию и аккумуляторы с быстрой зарядкой. Экономичность и превосходные эксплуатационные характеристики графит-фосфорного композита делают его многообещающим решением для преодоления проблем, связанных с быстрой зарядкой аккумуляторов.