Химики и инженеры пытаются создать все более эффективные, доступные и стабильные аккумуляторные технологии для питания широкого спектра электронных устройств. Для этого они использовали многократные окислительно-восстановительные реакции материалов, которые широко распространены на Земле, таких как железо и марганец, что может помочь снизить затраты на изготовление батарей.

Группа исследователей из Сеульского национального университета определила a-LiFeSO4F, аморфный электрод из фторисульфата железа, который может быть использован для разработки более доступных аккумуляторов большой емкости. Этот электрод, представленный в статье в журнале Nature Energy, в частности, служит катодом (т.е. положительно заряженным электродом в элементе батареи, через который электроны попадают в электронные устройства).

Созданный ими катод из фторисульфата железа был вдохновлен нанокомпозитным материалом, который они представили в одной из своих предыдущих работ, где они также объяснили лежащий в его основе окислительно-восстановительный механизм и реакцию поверхностного превращения. Этот материал состоит из наноразмерного лития и соединения переходного металла.

"Ранее мы изучали стратегии получения дополнительных мощностей из нашего нанокомпозитного катодного материала", - сказал TechXplore Кисук Кан, один из исследователей, проводивших исследование. "Поскольку окислительно-восстановительный механизм материала аналогичен реакции превращения и обычно синтезируется с помощью высокоэнергетического шарового помола, мы смогли лучше понять реакцию превращения и механохимический синтез".

Новое исследование команды основано на наблюдениях и выводах, собранных в ходе их предыдущего исследования. В частности, их прошлые открытия вдохновили их на изучение возможности того, что реакция превращения их нанокомпозитного катодного материала в сочетании со способностью к интеркалированию позволит им раскрыть уникальную способность содержащихся в нем оксидов переходных металлов.

"Во время разработки этой концепции мы размышляли о том, как эффективно повысить обратимость электродного материала двойного типа для интеркаляции /конверсии", - объяснил Кан. "Мы пришли к выводу, что аморфная структура могла бы помочь достичь этого, учитывая природу реакции превращения".

Катод, реализованный Кангом и его коллегами, изготовлен из LiFeSO4F, но с аморфной (то есть не кристаллической) структурой. Этот материал может быть легко синтезирован с использованием механохимических процессов, в частности, путем высокоэнергетического шарового измельчения фторида лития (LiF) и сульфата железа (FeSO4).

Замечательным преимуществом катода исследователей является то, что он поддерживает обратимое введение и извлечение ионов лития с помощью двух процессов, известных как интеркаляция и конверсия. Это значительно увеличивает его накопительную емкость, что, в свою очередь, может увеличить срок службы и производительность батареи.

"Наше исследование выявило новую роль аморфной структуры в обеспечении обратимости материала двойного типа для интеркалирования / конверсии электродов", - сказал Кан. "Обратимое и одновременное использование реакций интеркалирования и превращения в аморфной структуре широко применимо к другим соединениям переходных металлов и, таким образом, расширяет группу потенциальных катодных материалов с высокой плотностью энергии".

В будущем катод, представленный этой группой исследователей, может быть использован для создания аккумуляторных технологий большой емкости и низкой стоимости. Кроме того, лежащие в его основе химические процессы также могут быть воспроизведены с использованием других соединений переходных металлов, что откроет новые возможности для создания высокоэффективных катодов на основе материалов, богатых Землей.

"С тех пор как мы подтвердили нашу концепцию, мы изучали более обширное композиционное пространство, чтобы определить другие возможные катодные материалы", - добавил Кан. "Более того, мы изучаем общие руководящие правила, связанные с синтезом аморфной структуры, и корреляции между аморфизацией и способностью к интеркалированию".