Япония: учёные создают долговечные катоды из оксида марганца для литий-ионных батарей

Исследователи из Tohoku University (Институт передовых исследований материалов — WPI-AIMR) представили новый подход к созданию катодов на основе оксидов марганца. Разработка демонстрирует практически идеальную стабильность при циклировании и может существенно повысить долговечность литий-ионных аккумуляторов.

Работа объединяет электрохимию и физику твёрдого тела, формируя новую концепцию создания энергоёмких материалов, устойчивых к структурным искажениям.

Почему это важно для энергетики

Литий-ионные батареи — ключевой элемент перехода к электрифицированной экономике. Они используются:

• в системах хранения энергии для солнечных и ветровых электростанций,

• в электромобилях,

• в бытовой и промышленной электронике,

• в крупных накопителях для энергосистем.

Однако традиционные катоды часто содержат кобальт — дорогой и экологически проблемный элемент, добыча которого сопровождается социальными и экологическими рисками. Масштабирование производства таких аккумуляторов усиливает нагрузку на цепочки поставок.

Переход от кобальта к марганцу

Катод и анод определяют характеристики батареи: срок службы, энергоёмкость и устойчивость к деградации. Замена кобальта на марганец выглядит логичным решением: марганец широко распространён и значительно дешевле.

Тем не менее предыдущие попытки создать марганцевые катоды сталкивались с серьёзной проблемой — так называемыми искажениями Яна–Теллера (Jahn–Teller distortions). Эти структурные деформации возникают из-за особенностей электронной конфигурации и приводят к разрушению кристаллической решётки материала при работе аккумулятора.

Инженерия орбиталей на границе фаз

Японская команда отказалась от традиционных методов борьбы с деградацией, таких как легирование или нанесение защитных покрытий. Вместо этого исследователи применили подход «межфазной орбитальной инженерии» — работу на атомном уровне с электронной структурой материала.

Используя эффект «орбитальной геометрической фрустрации» на некопланарных интерфейсах, учёные предотвратили одновременное энергетическое упорядочение электронов. Это позволило нейтрализовать искажения Яна–Теллера и стабилизировать структуру катода.

Результат — отсутствие заметной деградации даже после 500 циклов заряда-разряда.

Новый этап в разработке энергоёмких материалов

Подход, основанный на управлении топологией электронных орбиталей, фактически объединяет две дисциплины — электрохимию и физику твёрдого тела. Это открывает путь к созданию нового класса материалов, устойчивых к структурным искажениям.

Переход на марганец даёт сразу несколько преимуществ:

• снижение себестоимости аккумуляторов,

• повышение срока службы,

• уменьшение зависимости от кобальта,

• улучшение экологического профиля производства.

Что это значит для электромобилей и ВИЭ

Для рынка электромобилей технология означает:

• более доступные цены на батарейные блоки,

• стабильный запас хода,

• снижение риска ускоренной деградации.

В энергетике крупного масштаба такие аккумуляторы могут повысить эффективность хранения энергии от солнца и ветра, обеспечивая выдачу мощности в часы пикового спроса.

Кроме того, по словам профессора Хао Ли из WPI-AIMR, марганцевые оксиды рассматриваются как перспективные катодные материалы и для натрий-ионных батарей. Это расширяет потенциал технологии в условиях перехода к более доступным и распространённым ресурсам.

Разработка японских учёных демонстрирует, что совершенствование электронной структуры материалов может стать ключом к созданию более устойчивых, доступных и экологичных аккумуляторов — важного элемента чистой энергетики будущего.