Применение шарового размола улучшит характеристики литий-ионных аккумуляторов

Более дешевые и эффективные литий-ионные аккумуляторы могут быть получены за счет использования ранее не учитывавшихся высоких давлений, возникающих в процессе производства.

Ученые из Бирмингемского университета обнаружили, что обычное шаровое фрезерование может вызвать воздействие высокого давления на материалы аккумуляторов всего за несколько минут, что является важным дополнительным параметром в процессе синтеза материалов для аккумуляторов.

Результаты исследования (часть проекта CATMAT, финансируемого Институтом Фарадея), проведенного под руководством д-ра Лауры Дрисколл, д-ра Элизабет Дрисколл и профессора Питера Слейтера в Бирмингемском университете, опубликованы в журнале RSC Energy Environmental Science.

Использование шарового размола для изготовления материалов нового поколения стало одним из наиболее перспективных направлений в области литий-ионных аккумуляторов. Процесс прост и заключается в измельчении порошковых соединений маленькими шариками, которые перемешиваются и делают частицы более мелкими, создавая электродные материалы высокой емкости и приводя к улучшению характеристик батарей.

Предыдущие исследования привели экспертов к выводу, что синтез таких материалов обусловлен локальным нагревом, возникающим в процессе измельчения. Однако теперь исследователи обнаружили, что динамические удары фрезерных шаров, сталкивающихся с материалами батареи, создают эффект давления, который играет важную роль в возникновении изменений.

Питер Слейтер, профессор химии материалов и содиректор Бирмингемского центра хранения энергии при Бирмингемском университете, сказал:

Это открытие произошло почти случайно. Мы измельчали молибдат лития в шарах в качестве модельной системы для изучения окислительно-восстановительных процессов кислорода в батареях и заметили, что происходит фазовое превращение в полиморф шпинели высокого давления — специфическую кристаллическую структуру, которая ранее получалась только в условиях высокого давления.

Локальный нагрев не мог объяснить это превращение. Чтобы проверить эту теорию, мы провели шаровое фрезерование трех других материалов для батарей, и результаты этих экспериментов по фрезерованию подтвердили наш вывод о том, что локальный нагрев не может быть единственной причиной этих изменений.

Исследователи также обнаружили, что применение тепла приводит к возвращению некоторых соединений в предварительно измельченное состояние, что свидетельствует о том, что в первоначальном синтезе участвовала еще одна переменная: ключевое значение имело давление.

Например, получение шпинельного полиморфа Li2MoO4 при высоком давлении ранее было возможно только в камере высокой температуры и высокого давления при давлении, более чем в 10 000 раз превышающем давление земной атмосферы. В новом исследовании показано, что аналогичный эффект может быть достигнут всего за несколько минут шарового размола.

Соавтор исследования доктор Элизабет Дрисколл сказала:

Это открытие дает возможность разработать более дешевые и энергоэффективные процессы для производителей батарей, а также изучить возможности получения новых материалов. Мы обнаружили аналогичные результаты, например, при шаровом измельчении неупорядоченных фаз горного хрусталя, что может стать ключом к созданию более эффективных батарей.

Улучшенное понимание влияния шарового измельчения на материалы батарей невероятно интересно не только для исследователей в этой области, но и для будущего развития батарей, поскольку мы смогли показать, что за пять минут шарового измельчения можно добиться таких преобразований, которые обычно требуют энергоемкого и специализированного оборудования.

По мере того как мы движемся к все более электрическому будущему, чтобы ограничить загрязнение окружающей среды и достичь нулевого уровня чистоты, нам крайне важно продолжать расширять наши знания и понимание технологии батарей, чтобы мы могли создавать наиболее эффективные батареи. Наши результаты открывают двери в мир новых возможностей и открытий и, как мы надеемся, сыграют свою роль в создании более экологичного будущего для всех нас.

29.09.2023