Ученые исследуют поглощение и потерю водорода из катодов Li-Ion аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы являются одной из самых распространенных технологий перезаряжаемых батарей в настоящее время. В этих батареях оксиды лития и кобальта, LiCoO₂, широко используются в качестве материалов для положительных электродов или катодов проводников, по которым электрический ток входит в вещество или выходит из него.

Катод играет ключевую роль в литий-ионных батареях и влияет на их емкость, производительность в течение многих циклов заряда-разряда и способность справляться с нагревом.

Одной из основных проблем, приводящих к ухудшению состояния таких батарей, является образование водорода в результате расщепления воды. Поэтому понимание того, как водород образуется и удаляется в LiCoO₂, может значительно повысить эффективность и качество работы твердотельных литий-ионных батарей. Кроме того, эти знания могут привести к появлению новых способов переработки использованных литий-ионных батарей для использования их в целях хранения и получения водорода путем расщепления воды при комнатной температуре.

В недавнем исследовании, опубликованном 29 октября 2023 года в International Journal of Hydrogen Energy под руководством профессора Буна Цучия с кафедры общего образования факультета науки и техники Университета Мэйдзё, группа исследователей провела тщательное изучение поглощения и потери водорода в катодных материалах LiCoO₂, погруженных в воду при комнатной температуре. По словам профессора Цучия, «моя цель — добиться производства водорода (H₂) путем расщепления воды (H₂O) при комнатной температуре с использованием определенных оксидных керамических материалов. Обычно H диссоциирует из H₂O при температуре около 2000 К. Однако это слишком большая энергия для эффективного производства топлива H₂ и для решения текущих экологических проблем, таких как долгосрочные выбросы углекислого газа».

Цель исследования — изучить, как материалы LiCoO₂ накапливают и выделяют водород, и определить наиболее стабильные места в структуре LiCoO2 для удержания водорода. Для этого использовались различные аналитические методы, в том числе методы определения увеличения веса и упругой отдачи. Они показали, что концентрация водорода увеличивается после погружения материала в воду на две минуты при определенных температурах. Кроме того, газовая хроматография использовалась для анализа выделения водорода и определения температуры диссоциации, которая оказалась ниже 523 К. Исследование также включало расчеты по теории функционала плотности, которые показали, что атомы водорода, отделенные от воды, предпочитают литиевые участки другим местам в кристаллической структуре LiCoO₂.

В целом, полученные результаты позволяют предположить, что LiCoO₂ играет важную роль в хранении водорода при комнатной температуре за счет процесса расщепления воды с получением газообразного водорода.

Если станет возможным получать H₂ из неисчерпаемой H₂O на Земле с небольшими затратами энергии, я думаю, что в будущем мы сможем создать общество, основанное на водороде, — считает профессор Цучия.

Таким образом, исследователи изучили процесс хранения и высвобождения водорода в катодных материалах LiCoO₂ для литий-ионных батарей. Благодаря пониманию процесса, который приводит к деградации этой широко используемой технологии, данное исследование открывает путь к разработке более эффективных батарей, а также к производству водорода с низким энергопотреблением путем расщепления воды — экологически чистой технологии хранения энергии!

26.01.2024