Новый материал для литий-ионных аккумуляторов

Ученые лаборатории процессов в химических источниках тока Института физической химии и электрохимии РАН совместно с коллегами из Московского института электронной техники предложили новый метод синтеза фосфида германия для использования в качестве электрода в литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторах. Этот материал с химической формулой GeP значительно меньше деградирует при обратимом введении лития и натрия и показывает большую удельную емкость при мягкой зарядке.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

В лаборатории процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН в 2021 году удалось создать литий-ионные аккумуляторы повышенной емкости, способные функционировать при пониженных температурах (до минус 50 градусов). В них в качестве электрода были использованы массивы нановолокон германия.

Однако хотя эти волокна и имеют характерный размер в десятки нанометров, при многократном циклировании (то есть внедрении и извлечении лития) происходит постепенное появление микротрещин. Часть нановолокон отрывается (теряет контакт) от основного материала, что приводит к постепенному снижению емкости. Это основная проблема высокоемких электродных материалов — в ходе циклической зарядки-разрядки электродный материал разрушается.

Перед лабораторией стояла задача: синтезировать материал, способный обратимо внедрять литий и натрий, но обладающий стабильностью к циклической зарядке.

Фосфор тоже обладает способностью вводить литий и натрий, однако фосфор не имеет электронной проводимости и сам по себе не может быть электродом. Хорошим электронным проводником является углерод, поэтому в качестве электродов применяют композиты фосфора с углеродом.

Возможность использовать вместо углерода другие элементы, обладающие электронной проводимостью, например германий, обсуждалась давно, но не находила практической реализации.

В лаборатории процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН выбрали оригинальный способ синтезировать фосфид германия. Заготовки в виде титановых пластин с нанесенным массивом нановолокон германия переносили в перчаточный бокс с атмосферой аргона и там помещали в герметичные ампулы из нержавеющей стали. В эти же ампулы помещали порошок красного фосфора. Затем ампулы переносили в трубчатую печь, где нагревали до температуры 600–650 °С, выдерживали при этой температуре в течение получаса и давали остыть. При этом фосфор вначале сублимировался (возгонялся), а затем конденсировался на поверхности нановолокон германия, где и происходило взаимодействие этих элементов.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

При синтезе фосфида германия происходили также существенные структурные изменения: нановолокна германия, исходно имевшие диаметр 20–40 нм и длину 0,2–0,8 мкм, преобразовывались в наностержни фосфида германия с диаметром от 250 до 500 нм и длиной от 0,2 до 10 мкм. Полученный фосфид германия имел химическую формулу GeP.

Эксперименты показали, что при обратимом внедрении лития в мягком режиме (длительность процесса зарядки — 2,5 часа) удельная емкость электродов из фосфида германия близка к теоретически достижимой (1915 мАч/г). При длительности зарядки 9 минут и в 16 раз большем токе зарядки емкость, как и положено, снижалась и составляла около 500 мАч/г. Традиционные графитовые электроды такого режима не выдерживают вообще, а при небольшом токе имеют удельную емкость 320–350 мАч/г.

Емкость по внедрению натрия составила около 1300 мАч/г в очень мягком, 50-часовом режиме и около 200 мАч/г в трёхчасовом режиме. Усовершенствование процесса внедрения натрия в фосфид германия остается одной из главных задач лаборатории.

По материалам: Kulova Tatiana, Gryzlov Dmitrii, Skundin Alexander, Gavrilin Ilya, Martynova Irina, Kudryashova Yulia. «Causes of Germanium Phosphide Degradation under Prolonged Cycling. EIS Study». International Journal of Electrochemical Science, 17, 2022, DOI: 10.20964/2022.02.40

Александр Скундин, доктор химических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН