Японія: вчені створюють довговічні катоди з оксиду марганцю для літій-іонних батарей

Дослідники з Tohoku University (Інститут передових досліджень матеріалів WPI-AIMR) представили новий підхід до створення катодів на основі оксидів марганцю. Розробка демонструє практично ідеальну стабільність при циклюванні і може суттєво підвищити довговічність літій-іонних акумуляторів.

Робота поєднує електрохімію та фізику твердого тіла, формуючи нову концепцію створення енергоємних матеріалів, стійких до структурних спотворень.

Чому це важливо для енергетики

Літій-іонні батареї є ключовим елементом переходу до електрифікованої економіки. Вони використовуються:

• у системах зберігання енергії для сонячних та вітрових електростанцій,

• в електромобілях,

• у побутовій та промисловій електроніці,

• у великих накопичувачах для енергосистем.

Проте традиційні катоди часто містять кобальт — дорогий та екологічно проблемний елемент, видобуток якого супроводжується соціальними та екологічними ризиками. Масштабування виробництва таких акумуляторів посилює навантаження на ланцюжки поставок.

Перехід від кобальту до марганцю

Катод та анод визначають характеристики батареї: термін служби, енергоємність та стійкість до деградації. Заміна кобальту на марганець виглядає логічним рішенням: марганець широко поширений і значно дешевший.

Проте попередні спроби створити марганцеві катоди стикалися з серйозною проблемою - так званими спотвореннями Яна-Теллера (Jahn-Teller distortions). Ці структурні деформації виникають через особливості електронної конфігурації та призводять до руйнування кристалічної решітки матеріалу під час роботи акумулятора.

Інженерія орбіталей на межі фаз

Японська команда відмовилася від традиційних методів боротьби з деградацією, таких як легування чи нанесення захисних покриттів. Натомість дослідники застосували підхід «міжфазної орбітальної інженерії» — роботу на атомному рівні з електронною структурою матеріалу.

Використовуючи ефект «орбітальної геометричної фрустрації» на некопланарних інтерфейсах, вчені запобігли одночасному енергетичному упорядкуванню електронів. Це дозволило нейтралізувати спотворення Яна–Теллера та стабілізувати структуру катода.

Результат – відсутність помітної деградації навіть після 500 циклів заряду-розряду.

Новий етап у розробці енергоємних матеріалів

Підхід, заснований на управлінні топологією електронних орбіталей, фактично поєднує дві дисципліни – електрохімію та фізику твердого тіла. Це відкриває шлях до створення нового класу матеріалів, стійких до структурних спотворень.

Перехід на марганець дає відразу кілька переваг:

• зниження собівартості акумуляторів,

• підвищення терміну служби,

• зменшення залежності від кобальту,

• покращення екологічного профілю виробництва.

Що це означає для електромобілів та ВІЕ

Для ринку електромобілів технологія означає:

• більш доступні ціни на батарейні блоки,

• стабільний запас ходу,

• зниження ризику прискореної деградації.

В енергетиці великого масштабу такі акумулятори можуть підвищити ефективність зберігання енергії від сонця та вітру, забезпечуючи видачу потужності в години пікового попиту.

Крім того, за словами професора Хао Лі з WPI-AIMR, марганцеві оксиди розглядаються як перспективні катодні матеріали для натрій-іонних батарей. Це розширює потенціал технології в умовах переходу до більш доступних та поширених ресурсів.

Розробка японських вчених демонструє, що вдосконалення електронної структури матеріалів може стати ключем до створення більш стійких, доступних та екологічних акумуляторів, що є важливим елементом чистої енергетики майбутнього.