Разгадана тайна снижения производительности перспективного катодного материала

Первое поколение литий-ионных аккумуляторов для электромобилей стало замечательной историей успеха. Тем не менее, возникает вопрос: какие изменения в материалах аккумуляторов приведут к дальнейшему прогрессу в увеличении дальности хода транспорта и снижении стоимости?

Улучшенный положительный электрод, или катод, для литий-ионных батарей был в центре внимания интенсивных исследований в прошлом. Катод — один из основных компонентов аккумуляторов. Несколько кандидатов в катодные материалы открывают перспективы создания батарей с гораздо более высоким запасом энергии, что позволяет увеличить дальность поездки. Однако емкость, или количество тока, вытекающего за определенное время, по неизвестным причинам имеет тенденцию быстро снижаться при циклическом заряде-разряде.

Наш метод также может быть полезен для понимания механизмов разрушения других типов батарей, помимо современных литий-ионных, — заявил Тонгчао Лю, ассистент химика

Исследователи Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) обнаружили основную причину того, почему и как один из наиболее перспективных катодных материалов деградирует при использовании. Этот материал представляет собой оксид никель-марганец-кобальт (NMC) лития, богатый никелем и имеющий форму отдельных наноразмерных кристаллов. В монокристаллах все атомы расположены в одном и том же высокоупорядоченном порядке.

Богатый никелем NMC особенно привлекателен тем, что в нем используется 70-80% никеля, материала с высокой емкостью, и требуется гораздо меньше кобальта, — говорит ассистент химика Тонгчао Лю.

Кобальт стоит дорого и считается критически важным минералом из-за проблем с поставками.

Обычно богатый никелем катод NMC состоит из частиц нескольких кристаллических форм, или поликристаллов, случайно ориентированных друг относительно друга. Однако при циклическом заряде-разряде эти кластеры растрескиваются по границам между кристаллами, и емкость катода быстро падает.

Была выдвинута гипотеза, что изготовление катода с монокристаллами вместо поликристаллов решит проблему растрескивания, так как границы будут устранены. Однако даже монокристаллические катоды преждевременно выходили из строя, оставляя ученых в недоумении.

Чтобы раскрыть механизм, команда разработала новаторский метод, сочетающий многомасштабную рентгеновскую дифракцию и электронную микроскопию высокого разрешения. Анализ материалов проводился на Усовершенствованном фотонном источнике (APS) в Аргонне, Национальном источнике синхротронного излучения в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики и в Центре наноразмерных материалов (CNM) Аргонна. Все три центра являются пользовательскими объектами Управления по науке Министерства энергетики.

Проблема электронной микроскопии заключается в том, что она позволяет получить лишь снимок небольшой области на одном кристалле, — говорит материаловед Тао Чжоу из CNM.

А дифракция рентгеновских лучей позволяет изучить внутреннюю структуру многих частиц, однако ей не хватает информации на уровне поверхности. Наш метод устраняет этот пробел, предлагая всестороннее понимание в масштабе одной, 10-50 и 1000 частиц.

Атомы в монокристаллах расположены в аккуратных упорядоченных рядах и столбцах, называемых решетками. Многогранный анализ монокристаллических катодов, проведенный командой, позволил получить важнейшую информацию об изменениях в решетке при заряде и разряде.

Как объяснили Лю и Чжоу, введение заряда вызывает деформацию решетки, которая заставляет ее расширяться и вращаться, нарушая аккуратный порядок расположения атомов. После разряда решетка сжимается до исходного состояния, но вращение сохраняется. При повторных циклах заряда-разряда вращение становится более выраженным. Это изменение в структуре катода приводит к резкому падению производительности.

Решающее значение для получения этих данных имели измерения с помощью рентгеновского нанозонда Hard X-ray Nanoprobe, работающего совместно с CNM и APS.

Новый метод команды помог понять, почему катоды NMC с высоким содержанием никеля и монокристаллами так быстро выходят из строя, — сказал Халил Амин, заслуженный научный сотрудник Аргонны.

Новые сведения дадут нам возможность решить эту проблему и создать более дешевые электромобили с большим запасом хода.

«Наш метод также может быть полезен для понимания механизмов разрушения других типов батарей, помимо современных литий-ионных», — добавил Лю.

Исследование опубликовано в журнале Science.

17.06.2024


Подписаться в Telegram



Энергия

PRX Energy: Открыты перспективные материалы для термоядерных реакторов
PRX Energy: Открыты перспективные материалы для термоядерных реакторов

Ядерный синтез может стать идеальным решением ...

J. Mater. Chem. A: Литий-ионные батареи станут безопаснее и эффективнее
J. Mater. Chem. A: Литий-ионные батареи станут безопаснее и эффективнее

Новое объяснение эффекта этиленкарбоната ...

EPSR: ИИ повысит надежность электросетей с учетом роста энергопотребления
EPSR: ИИ повысит надежность электросетей с учетом роста энергопотребления

Из-за распространения возобновляемых источнико...

Matter: Гибридные перовскиты прокладывают путь к новым лазерам и светодиодам
Matter: Гибридные перовскиты прокладывают путь к новым лазерам и светодиодам

Исследователи разработали методику создания сл...

Nature Nanotechnology: Решена ключевая проблема натрий-ионных батарей
Nature Nanotechnology: Решена ключевая проблема натрий-ионных батарей

Литий-ионные батареи широко используются в&nbs...

JAC: Ученые исследовали эффективность пьезокатализа Bi2WO6-x
JAC: Ученые исследовали эффективность пьезокатализа Bi2WO6-x

Пьезокатализ — перспективная эколог...

EES Catalysis: Новые ячейки превращают углекислый газ в экологичное топливо
EES Catalysis: Новые ячейки превращают углекислый газ в экологичное топливо

Новый метод переработки бикарбонатного раствор...

Nature Climate Change: Богатые тоже пачкают атмосферу
Nature Climate Change: Богатые тоже пачкают атмосферу

Углеродный след богатых людей в обществе ...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Health Communication: Как правильно общаться с людьми с диагнозом Альцгеймера
Health Communication: Как правильно общаться с людьми с диагнозом Альцгеймера
Zoolinnean: Ученые открыли новый вид геккона со сросшимися костями
Zoolinnean: Ученые открыли новый вид геккона со сросшимися костями
Phys.org: Космический мусор защитит будущие миссии на Луну и Марс от радиации
Phys.org: Космический мусор защитит будущие миссии на Луну и Марс от радиации
Current Biology: Ученые придумали, как отпугивать акул от серфингистов
Current Biology: Ученые придумали, как отпугивать акул от серфингистов
Школьники создали для музея бота-проводника по коммуналкам и книгам Булгакова
Школьники создали для музея бота-проводника по коммуналкам и книгам Булгакова
Plant Phenomics: Как технологии помогают фермерам сохранить урожай риса
Plant Phenomics: Как технологии помогают фермерам сохранить урожай риса
Мордовские ученые создали бетон нового поколения
Мордовские ученые создали бетон нового поколения
PeerJ: Выяснилось, как хищники справляются, когда остаются без зубов
PeerJ: Выяснилось, как хищники справляются, когда остаются без зубов
Челябинские ученые сделают коммунальные машины автономными
Челябинские ученые сделают коммунальные машины автономными
Исследование Т-клеток в лечении опухолей открывает новую силу иммунотерапии
Исследование Т-клеток в лечении опухолей открывает новую силу иммунотерапии
Current Biology: Анализ ДНК опроверг прежние данные о погибших в Помпеях
Current Biology: Анализ ДНК опроверг прежние данные о погибших в Помпеях
Cell: Открыт новый вероятный маркер старения организма
Cell: Открыт новый вероятный маркер старения организма
МФТИ: Линзы тоньше волоса ускорят диагностику болезней на дому
МФТИ: Линзы тоньше волоса ускорят диагностику болезней на дому
В МГУ увеличили эффективность противогрибковых препаратов в 5000 раз
В МГУ увеличили эффективность противогрибковых препаратов в 5000 раз
Искусственные рецепторы на основе ДНК коронавируса открывают новые возможности
Искусственные рецепторы на основе ДНК коронавируса открывают новые возможности

Новости компаний, релизы

Международные эксперты оценили разработанную для нижегородского завода технологию
На старт! Внимание! MITEX!
Фестиваль научных театров «Наука всем!» прошёл в Санкт-Петербурге
Пять полезных функций смартфона, про которые редко вспоминают
Школьных учителей приобщат в современной науке