Des scientifiques de l'Université fédérale d'extrême-Orient, ainsi que des collègues de centres scientifiques russes et étrangers, ont trouvé un moyen d'améliorer considérablement les batteries lithium-ion utilisées dans les smartphones, les Ordinateurs portables et les voitures électriques. Ils ont réussi à augmenter la capacité du matériau cathodique de deux fois et à préserver complètement sa ressource après de multiples cycles de charge et de décharge. Cela signifie que les futures batteries pourront durer deux fois plus longtemps sans s'user rapidement. L'étude est publiée dans le Journal of Composites Science.
Le principal problème des batteries modernes réside dans la cathode — l'électrode positive, dont dépend directement la quantité d'énergie que la batterie peut stocker. L'un des matériaux les plus prometteurs pour les cathodes est le phosphate de vanadium de lithium. Il a une capacité théorique élevée et est sûr à utiliser, mais il y a un inconvénient majeur: il conduit très mal le courant électrique. Pour cette raison, les batteries sur sa base ne peuvent pas donner rapidement de l'énergie et perdent rapidement leur capacité après plusieurs dizaines de cycles de charge.
Pour résoudre ce problème, les scientifiques ont synthétisé le matériau avec un revêtement de carbone Ajouté en utilisant de l'acide citrique ordinaire comme source de carbone. L'ensemble du processus ressemble à une cuisson: le mélange initial a été chauffé dans un four sous atmosphère d'argon à différentes températures — de 700 à 1 000°C — et avec différentes quantités d'additif de carbone. La méthode elle-même est appelée synthèse sol-gel, elle permet d'obtenir un matériau homogène avec des particules de taille nanométrique.
Le meilleur résultat a été obtenu avec un échantillon chauffé à 900°C avec de l'acide citrique Ajouté dans une quantité égale à la quantité de sels. Sa capacité spécifique était de 114 mAh/g, soit exactement deux fois plus que celle des échantillons contenant moins de carbone.
«Nous avons réussi à augmenter la capacité sans perdre de ressources. Habituellement, lorsque vous essayez d'améliorer un paramètre de batterie, un autre souffre. Ici, nous avons reçu et doubler la capacité, et 100 pour cent de conservation après 25 cycles»,-a Commenté l'un des auteurs de l'étude, K. H. N., chercheur au laboratoire de technologie nucléaire dvfu Oleg Shichalin.
Lorsqu'ils sont chauffés à 900°C, les cristaux du matériau deviennent parfaitement ordonnés et le carbone forme une fine enveloppe protectrice autour de chaque particule. Cette coque résout deux tâches importantes à la fois: elle conduit parfaitement l'électricité et protège simultanément le matériau des effets agressifs de l'électrolyte. En conséquence, les ions lithium pénètrent facilement à l'intérieur du matériau, les électrons se déplacent rapidement à travers la grille de carbone et la cathode elle-même ne s'effondre pas avec le temps. À des températures plus basses, les cristaux sont imparfaits et, à des températures plus élevées, les particules collent ensemble, ce qui réduit considérablement la surface utile. Avec un manque de carbone, la coque de protection est déchirée et le matériau s'oxyde rapidement.
Le phosphate de vanadium de lithium est connu des scientifiques depuis longtemps, mais sa mauvaise conductivité a longtemps empêché l'utilisation de ce matériau dans de vraies batteries. Maintenant, les chercheurs ont trouvé un moyen simple et peu coûteux de résoudre ce problème — il suffit de choisir la bonne température et la quantité exacte d'acide citrique. La méthode est facile à mettre à l'échelle pour la production industrielle, elle ne nécessite pas d'équipement complexe ni de matériaux coûteux. Cela signifie que dans un proche avenir, les fabricants de batteries seront en mesure de produire des batteries qui dureront deux fois plus longtemps avec une charge, tout en servant pendant des années sans perte de capacité. De telles batteries sont en demande partout: des smartphones et des Ordinateurs portables aux véhicules électriques et aux systèmes de stockage d'énergie solaire.
Des scientifiques du laboratoire des sources d'énergie électrochimiques de l'Institut des sciences naturelles et de la sécurité technosphérique de l'Université d'état de Sakhaline, de l'Université fédérale d'extrême-Orient, de l'institut géologique d'extrême-Orient de la branche extrême-orientale de l'Académie des sciences de Russie, du centre d'études avancées de Moscou, du département de physique générale de l'Université Polytechnique nationale de recherche de Perm, du centre XPANCEO de technologie avancée (Dubaï) et du centre scientifique de kola de l'Académie des sciences de Russie ont participé aux travaux.
Toutes les découvertes scientifiques sont possibles grâce à l'infrastructure en constante évolution du campus dvfu. En 2024, à la demande distincte du président russe Vladimir Poutine, l'Université fédérale d'extrême-Orient est entrée dans le programme de construction de campus de classe mondiale dans le cadre du projet National «Jeunes et enfants». La deuxième phase du campus de dvfu comprendra un nouveau complexe de dortoirs pour 4 000 personnes. Au nom du président, tout un réseau de campus modernes est créé dans le pays. D'ici 2030, une Constellation de 25 nouveaux campus universitaires apparaîtra. Les travaux dans ce domaine sont menés par le Gouvernement de la Fédération de Russie et le ministère russe de l'éducation.