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

Исследовательская группа из Института технологического проектирования Китайской академии наук (IPE CAS) разработала метод подавления «челночного эффекта» в тепловых батареях. Решение, основанное на принципе ионного просеивания, позволило достичь рекордных показателей удельной энергии для этого класса устройств. Результаты работы опубликованы 4 января в научном журнале Advanced Science.

Тепловые батареи (резервные источники тока, работающие при температурах 350-550 °C) часто используют фториды переходных металлов в качестве катодов из-за их высокого теоретического напряжения и термической стабильности. Однако практическое применение этих материалов ограничено серьезной проблемой: в процессе работы активное вещество растворяется в электролите и мигрирует, создавая так называемый «челночный эффект» (shuttle effect). Это приводит к потере активной массы, падению емкости и быстрому разрушению структуры батареи.

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

Термодинамический анализ показал, что причиной миграции активного материала является образование крупных комплексов CoCl₄²⁻ в результате анионного обмена с электролитом. Разработанная оболочка работает как молекулярное сито: она блокирует диффузию массивных комплексов CoCl₄²⁻, но свободно пропускает компактные ионы лития (Li⁺), необходимые для реакции. Структура композита получила название «plum pudding@shell» («сливовый пудинг в оболочке»).

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

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

• Удельная емкость: 365 мАч/г.

• Удельная энергия: 882 Вт·ч/кг.

Это самый высокий зарегистрированный показатель удельной энергии среди всех известных на сегодняшний день катодов для высоковольтных тепловых батарей.

По словам профессора Ван Сонга, данное открытие не только объясняет механику подавления челночного эффекта в расплавленных солях, но и создает фундамент для проектирования тепловых батарей следующего поколения с высокой плотностью энергии. Технология также может быть адаптирована для использования металлофторидов в других типах накопителей энергии.

Источник: english.cas.cn