От Техническия университет в Мюнхен
Захранването в движение е търсено: Колкото по-висок е капацитетът на батерията, толкова по-голям е обхватът на електрическите автомобили и по-дълго време на работа на мобилни телефони и лаптопи. Д-р Дженифър Лудвиг от Техническия университет в Мюнхен (TUM) е разработила процес, който позволява бързо, просто и рентабилно производство на обещаващия катоден материал литиево-кобалтов фосфат с високо качество. Химикът беше награден с наградата Evonik Research Prize за работата си.
Надеждата е розова: прахът, който Дженифър Лудвиг внимателно изсипва в стъклена купа и който свети в розово на светлината на лабораторната лампа, има потенциала значително да подобри работата на бъдещите батерии. „Литиево-кобалтовият фосфат може да съхранява значително повече енергия от конвенционалните катодни материали“, обяснява химикът.
Работейки в групата на Том Нилгес, ръководител на Професорството по синтез и характеризиране на иновативни материали, химикът е разработил процес за бързо производство на розовия прах, с минимални количества енергия и с най-високо качество.
Изследователите на батерии от известно време смятат литиево-кобалтовия фосфат за материал на бъдещето. Той работи при по-високи напрежения от традиционно използвания литиево-железен фосфат и по този начин достига по-висока енергийна плътност - 800 вата часа на килограм вместо малко под 600 вата часа.
Предишен процес: скъп и енергоемък
Преди това обаче производството на обещаващия високоволтов катоден материал изискваше много сложен, енергоемък и неефективен процес при тежки условия с температури от 800 °C. „И кристалите, които се образуват при тези условия, варират по размер и трябва да бъдат смлени до нанокристален прах във втора, енергоемка производствена стъпка“, съобщава Лудвиг.
Освен това, получените кристали показват достатъчна йонна проводимост само в една посока. По по-голямата част от повърхността химическата реакция между материала на електрода и електролита в батериите протича много бавно.
Скроени кристали
Процесът на микровълнов синтез, разработен от Дженифър Лудвиг, решава всички тези проблеми наведнъж: Получаването на висококачествен литиев кобалтов фосфат изисква само микровълнова фурна и 30 минути време.
Реагентите се поставят в тефлонов контейнер заедно с разтворител и след това се нагряват. Само 600 W са достатъчни, за да се постигнат 250 °C, необходими за стимулиране на образуването на кристали.
Плоските тромбоцити, създадени в процеса, са с размери по-малко от един микрометър и дебелина само няколкостотин нанометра, като оста на максималната проводимост е ориентирана към повърхността. „Тази форма осигурява по-добра електрохимична производителност, тъй като литиевите йони трябва да се движат само на къси разстояния в кристалите“, обяснява Лудвиг.
предизвикване на реакцията
Химикът успя да разреши и друг проблем в хода на своите експерименти: при температури над 200 °C и под високо налягане, вместо желания литиев кобалтов фосфат понякога се образува непознато до момента сложно съединение кобалтов хидроксид и хидроген фосфат.
Дженифър Лудвиг успява да изясни механизма на реакцията, изолира съединението и определя неговата структура и свойства. Тъй като новото съединение е неподходящо като материал за батерии, тя модифицира реакцията, така че да се получи само желаният литиево-кобалтов фосфат.
„С този нов производствен процес вече можем да създадем висококачествени кристали от литиев кобалтов фосфат с форма на пластинки с персонализирани свойства с високо качество“, казва професор Нилгес. „По този начин беше преодоляно още едно препятствие по пътя към нови материали с високо напрежение.“
