研究人员开发出锂离子电池高容量正极材料并获得专利

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由著名教授兼中心主任 Artem Abakumov 领导的 Skoltech 能源中心研究团队获得了由层状富镍过渡金属氧化物制成的锂离子电池高容量阴极材料的专利，以及一种用于生产这种材料的新型水热微波辅助方法。
新方法更快速、更便宜，阴极材料本身的使用寿命也比市场上现有的材料长约 10%。该技术将有助于俄罗斯更有效地发展电力运输。
介绍该结果的论文发表在《电源杂志》上。
“我们使用热液微波辅助处理，在阴极材料前体的球形颗粒上涂覆一层薄薄的氢氧化钴。然后，其高温锂化会在近表面层形成浓度梯度，并形成独特的形态——初级粒子在团聚体中呈放射状分布，而不是像市场上其他材料那样随机分布，”该专利和文章的合著者高级研究科学家亚历山德拉·萨维纳 (Alexandra Savina) 说道。
在第一阶段，该团队获得了氢氧化物前体（参与导致另一种物质形成的反应的物质），其中镍、锰和钴阳离子在原子水平上均匀混合。然后将其悬浮液与尿素和钴源的水溶液一起放入水热微波反应器中，在那里处理约15分钟。
随后，团队获得了覆盖有均匀富钴壳的前驱体。高温锂化阶段，将前驱体与锂源混合，在高温下进行热处理。现在市场上主要采用共沉淀法代替微波处理阶段，耗时超过12小时。
“浓度梯度的形成，加上独特的形态，提供了多种优势——材料的稳定性和在不同循环速率下的高容量。得益于我们的材料，锂离子电池的使用寿命将延长约 10%。此外，我们使用廉价的试剂——尿素，”萨维纳补充道。
发展先进储能技术是俄罗斯的重点科技任务之一。
此前，俄罗斯联邦政府批准了《包括便携式在内的电力储存系统研发技术》路线图和2030年前俄罗斯电动交通工具生产与使用发展构想，旨在加速该领域的技术发展，取得世界领先地位。
斯科尔科沃科技学院 (Skoltech) 研究团队和该研究所创建的初创企业多年来一直积极致力于解决路线图中规定的任务。
阿巴库莫夫表示：“如今，斯科尔科沃科技学院是俄罗斯最大的氧化物阴极材料知识产权持有者，这将为俄罗斯联邦生产储能设备铺平道路。我们的中心正在积极开发新型阴极材料和更高效的工业生产技术。”
“电动汽车的最大成本来自电池，而电池中正极材料又是总成本中最重要的部分。因此，在保持正极材料容量和功率属性不变的情况下，将正极材料的生产成本降低 10% 是提高市场竞争力的重要基准。”
作者指出，路线图的目标之一是生产最大能量密度为 260 瓦时/千克 (Wh/kg) 的电池，但现在该团队已经在生产比能量强度超过 250 Wh/kg 的电池原型，而当切换到下一代材料时，则可以提高到 300 Wh/kg。
此外，Skoltech 研究人员预计今年将推出俄罗斯第一台高温前驱体锂化辊道窑，年产能高达 85 吨。该中心已开始建造一座新的前驱体生产工厂，年产能为 20 吨，该工厂将在工艺流程的所有阶段实现完全自动化。
新项目的初始数据是在一座每年可生产多达 10 吨前驱体的试验工厂的运行过程中获得的，该工厂由俄罗斯零部件组装而成。这些项目涉及 Skoltech 旗下的初创公司 Rustor（一家小型科技公司）的能力。
借助目前正在创建的生产线，Rustor 计划将新的富镍阴极材料推向市场，以用于电动汽车领域，以及专门针对无人机要求而开发的材料。
合著者中有两位年轻的科学家：材料科学与工程专业的博士生 Lucia Sitnikova 和材料科学专业的硕士生 Ekaterina Dolzhikova，她是 Skoltech 和俄罗斯门捷列夫技术大学联合举办的储能和转换材料专业学士学位的第一批毕业生。Dolzhikova 在准备学士学位论文时开始研究改进的阴极材料。
“在学习的第二年，我们开始研究具有核壳结构的阴极材料。我非常喜欢这个主题，所以我毫不怀疑应该继续我的学习。这个项目和研究小组给了我很多：令人难以置信的知识、一项专利、一篇在著名期刊上发表的联合文章以及职业发展。我学会了如何使用设备、试剂和最好的显微镜。我愿意为此投入更多的时间，”多尔日科娃说。