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.