Аморфный катод раскрывает механизм редокс-реакции с участием кислородных димеров при низком напряжении

Смоделированные структуры после делитиации в рамках AIMD. Автор: Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02293-9

В прорывном исследовании, приближающем создание литиевых батарей нового поколения, учёные из Школы материаловедения и инженерии Пекинского университета под руководством профессора Ся Динго обнаружили ранее неизвестный анионный редокс-механизм в аморфном катоде Li-V-O-F с тетраэдрической координацией.

Результаты, опубликованные в журнале Nature Materials под заголовком «Аморфный катод Li-V-O-F с тетраэдрической координацией и редокс-реакцией O–O при низком напряжении», демонстрируют исключительную электрохимическую производительность и стабильность материала, превосходящие ограничения традиционных кристаллических катодов.

Почему аморфный Li-V-O-F?

Обычные высокоёмкостные катоды основаны на кристаллических структурах с октаэдрической координацией, которые часто страдают от потери кислорода, структурного разрушения и снижения напряжения при высоких нагрузках. Аморфные материалы, исторически игнорируемые из-за их неупорядоченной природы, лишены дальнего порядка, но обладают уникальными атомными конфигурациями и гибкостью, что делает их перспективными кандидатами для новых редокс-механизмов.

Это исследование переопределяет границы анионной редокс-химии, доказывая, что она может происходить вне кристаллических решёток и без октаэдрической координации. Открытие обратимой редокс-реакции с участием кислородных димеров (O–O) в аморфной тетраэдрической структуре открывает новые пути для создания высокоёмкостных и стабильных литий-ионных аккумуляторов.

Исследование показывает, что аморфный катод Li-V-O-F сохраняет тетраэдрическую координацию даже после экстракции лития, бросая вызов традиционной зависимости от октаэдрических кристаллических структур. При зарядке при ~4.1 В материал формирует координационные пары O–O на расстоянии 1.3–1.5 Å, что указывает на образование кислородных димеров.

Спектроскопические анализы, включая рентгеновскую абсорбцию и резонансное неупругое рассеяние (RIXS), подтверждают, что окисление происходит на атомах кислорода, а не ванадия, подчёркивая доминирующий анионный редокс-механизм с обратимым образованием и диссоциацией пероксо-подобных связей O–O.

Электрохимические характеристики катода LVOF. Автор: Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02293-9

Электрохимические тесты показывают, что материал обеспечивает высокую ёмкость более 300 мА·ч/г в диапазоне напряжений 1.5–4.8 В, демонстрирует псевдоконденсаторную кинетику благодаря наноканалам для быстрого транспорта ионов лития и сохраняет структурную целостность без выделения кислорода или снижения напряжения при длительных циклах.

Это открытие может значительно улучшить производительность литий-ионных аккумуляторов для электромобилей, сетевых накопителей и носимой электроники, расширяя границы современных технологий.

Дополнительная информация: Kun Zhang et al, An amorphous Li–V–O–F cathode with tetrahedral coordination and O–O formal redox at low voltage, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02293-9

Источник: Peking University