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.
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.
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.
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.
«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 |
Энергия
Energy & Fuels: Отработанное масло пустят в ход — на переработку в биодизель | |
Новый способ производства биодизеля из от... |
Эксперт ТИСБИ дал оценку готовности Татарстана к переходу на водород | |
Мировой рынок водородной энергетики к 203... |
PRX Energy: Открыты перспективные материалы для термоядерных реакторов | |
Ядерный синтез может стать идеальным решением ... |
PNAS Nexus: Ученые воссоздали в лаборатории ключевой элемент фотосинтеза | |
Человек научился делать многое, но у ... |
J. Mater. Chem. A: Литий-ионные батареи станут безопаснее и эффективнее | |
Новое объяснение эффекта этиленкарбоната ... |
EPSR: ИИ повысит надежность электросетей с учетом роста энергопотребления | |
Из-за распространения возобновляемых источнико... |
APL: Исследователи изучают фотоэлектрический феномен в перспективном материале | |
Необычный фотовольтаический эффект, BPV, в&nbs... |
Frontiers in Energy: Катализатор Fe-N-C превзойдет платину в топливных элементах | |
Топливные элементы и металловоздушные бат... |
Matter: Гибридные перовскиты прокладывают путь к новым лазерам и светодиодам | |
Исследователи разработали методику создания сл... |
В Пермском Политехе создали установку для исследования новых видов топлива | |
Учёные исследуют новый вид горючего ... |
Chemistry of Materials: Открыт перспективный твердый электролит из наночастиц | |
Аккумуляторы играют важную роль в совреме... |
Водные системы могут помочь ускорить внедрение возобновляемых источников энергии | |
Системы водоснабжения помогают сделать возобно... |
Nature Nanotechnology: Решена ключевая проблема натрий-ионных батарей | |
Литий-ионные батареи широко используются в&nbs... |
JAC: Ученые исследовали эффективность пьезокатализа Bi2WO6-x | |
Пьезокатализ — перспективная эколог... |
NatSustain: Новый материал катода может произвести революцию в хранении энергии | |
Недорогой катод, который может улучшить литий-... |
eScience: С помощью реактивной химии ученые создали анод без дендритов | |
Металлические калиевые батареи, МБК &mdas... |
Система искусственного фотосинтеза производит этилен с высочайшей эффективностью | |
Чтобы использовать CO₂ для создания эколо... |
NatComm: Инженеры создают долговечный и дешевый электролит для аккумуляторов | |
Возобновляемые источники энергии, такие как&nb... |
В ЛЭТИ создали цифрового двойника для оптимизации солнечных электростанций | |
Рост населения и развитие технологий прив... |
EES Catalysis: Новые ячейки превращают углекислый газ в экологичное топливо | |
Новый метод переработки бикарбонатного раствор... |
ACS Energy Letters: Новую батарею можно резать, можно бить — все равно работает | |
В большинстве аккумуляторов для портативн... |
Nature Climate Change: Богатые тоже пачкают атмосферу | |
Углеродный след богатых людей в обществе ... |
Учёные НИУ МЭИ создали энергоустановку на основе бионических технологий | |
Исследователи создали энергоустановку для ... |
Кремний с высокой площадью поверхности улучшает реакцию CO2 на свету | |
Учёные работают над превращением углекисл... |
В ЛЭТИ улучшили свойства материала для более долговечных солнечных батарей | |
Исследователи создали наноматериалы, которые с... |
Nature Electronics: Создан напалечный трекер здоровья, черпающий энергию из пота | |
Устройство, работающее от пота, позволяет... |
Nature Sustainability: Электролиты на основе нафталина пригодятся для батарей | |
ORAM — это органические редокс... |
Science: В США разрабатывают метод переработки лопастей ветряных турбин | |
Исследователи из Национальной лаборатории... |
Терагерцовая спектроскопия позволяет следить за старением перовскитовых пленок | |
Гибридные перовскиты могут использоваться в&nb... |
Scientific Reports: Создан новый храповик с геометрически симметричной шестерней | |
Храповой механизм — это систем... |