Химики из КНР создали катод с рекордной плотностью энергии для тепловых батарей

Исследовательская группа из Института технологическогопроектирования Китайской академии наук (IPE CAS) разработала метод подавления«челночного эффекта» в тепловых батареях. Решение, основанное на принципеионного просеивания, позволило достичь рекордных показателей удельной энергиидля этого класса устройств. Результаты работы опубликованы 4 января в научномжурнале Advanced Science.

Тепловые батареи (резервные источники тока, работающие притемпературах 350-550 °C) часто используют фториды переходных металлов вкачестве катодов из-за их высокого теоретического напряжения и термическойстабильности. Однако практическое применение этих материалов ограниченосерьезной проблемой: в процессе работы активное вещество растворяется вэлектролите и мигрирует, создавая так называемый «челночный эффект» (shuttleeffect). Это приводит к потере активной массы, падению емкости и быстромуразрушению структуры батареи.

Для решения этой задачи команда под руководством профессоровВан Сонга (Wang Song) и Чжу Юнпина (Zhu Yongping) предложила новую архитектурукатода. Ученые использовали концепцию селективного удержания ионов, создаввокруг частиц дифторида кобальта (CoF₂) углеродную оболочку на основековалентного органического каркаса (COF). Ключевая особенность этой оболочки —наличие однородных каналов субнанометрового размера (0,54 нм).

Термодинамический анализ показал, что причиной миграцииактивного материала является образование крупных комплексов CoCl₄²⁻ врезультате анионного обмена с электролитом. Разработанная оболочка работает какмолекулярное сито: она блокирует диффузию массивных комплексов CoCl₄²⁻, носвободно пропускает компактные ионы лития (Li⁺), необходимые для реакции.Структура композита получила название «plum pudding@shell» («сливовый пудинг воболочке»).

Лабораторные испытания катода CoF₂@CSC700-24продемонстрировали следующие результаты:

• Рабочее напряжение: плато разряда превышает 2,5 В (приплотности тока 100 мА/см² и температуре 500 °C).

• Удельная емкость: 365 мАч/г.

• Удельная энергия: 882 Вт·ч/кг.

Это самый высокий зарегистрированный показатель удельнойэнергии среди всех известных на сегодняшний день катодов для высоковольтныхтепловых батарей.

По словам профессора Ван Сонга, данное открытие не толькообъясняет механику подавления челночного эффекта в расплавленных солях, но исоздает фундамент для проектирования тепловых батарей следующего поколения свысокой плотностью энергии. Технология также может быть адаптирована дляиспользования металлофторидов в других типах накопителей энергии.

Источник:english.cas.cn