Для того чтобы избавиться от зависимости от дорогостоящего кобальта, производство которого во многом контролирует Китай, производители литий-ионных батарей переходят на литий-железо-фосфатные катоды. Появление более высоковольтных аккумуляторов позволило бы производителям полностью отказаться от использования никеля и кобальта. С этой целью ученые из Стэнфордского университета синтезировали новый материал из лития, железа, сурьмы и кислорода. И продемонстрировали его стабильность.

Железо регулярно участвует в окислительно-восстановительных реакциях, высвобождая и поглощая электроны. Как правило, атомы железа ограничивают свой вклад в ОВР двумя или тремя из 26 электронов. Ученые решили подстегнуть этот процесс и заставить железо отдавать и принимать пять электронов на один атом.

Исследователи предположили, что ключом к этому должно стать предотвращение сближения атомов железа в кристаллической структуре материала. В противном случае побочные реакции предотвратят более высокую степень окисления железа. Использование такого материала в катоде литий-ионного аккумулятора позволит аккумулятору накапливать больше энергии и обеспечит более высокое напряжение, пишет Stanford News.

Поначалу кристаллическая структура материала не выдерживала и ломалась во время зарядки. Для решения этой проблемы ученые уменьшили материал до 300-400 нм, вырастив его в растворе.

Электрохимические испытания и спектрограммы подтвердили, что энергетический потенциал материала увеличился. Детальное моделирование спектров показало, что два дополнительных электрона исходят не от атомов железа, а от кислорода с участием железа.

В отличие от предыдущего материала, который скручивался и разрушался после того, как ионы лития отделялись и направлялись к аноду во время зарядки, материал, изготовленный из наночастиц, немного изгибался, чтобы заполнить освободившиеся литиевые пространства, но оставался целым.

Теперь, когда ученые разобрались, как повысить уровень окисления железа и поддерживать его в этом состоянии, они принялись за решение практических инженерных задач: изменение формы частиц, состава материала и химических свойств, чтобы найти комбинацию, подходящую для коммерческого применения. Важнейшей задачей является поиск замены сурьме. Как и кобальт, это дорогой минерал, зависящий от логистики, но у команды есть несколько кандидатов на замену.

Британская компания Altilium производит батареи для электромобилей, изготовленные почти на 100% из переработанных материалов. Первоначальные результаты испытаний показывают, что их производительность не уступает элементам, изготовленным традиционным способом.