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

JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа

Фотокаталитическое выделение водорода из ...

Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов

Учёные Института физики Казанского федеральног...

IEEE Access: Ученые открыли доступ к данным о работе электрических сетей
IEEE Access: Ученые открыли доступ к данным о работе электрических сетей

Исследователи из Национальной лаборатории...

Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%
Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%

Группа исследователей впервые продемонстрирова...

JRSNZ: Ветряные электростанции могут компенсировать выбросы за 2 года
JRSNZ: Ветряные электростанции могут компенсировать выбросы за 2 года

Ветряная электростанция, проработав менее двух...

EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент
EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент

Не зря авиакомпании не разрешают сда...

Acta Astronautica: В открытом космосе можно построить солнечные фермы
Acta Astronautica: В открытом космосе можно построить солнечные фермы

Согласно результатам нового исследования, пров...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Nature: Поражение лёгких при COVID долго не проходит из-за реакции иммунитета
Nature: Поражение лёгких при COVID долго не проходит из-за реакции иммунитета
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
Nature Energy: Создана мембрана для удаления CO2, работающая на влажности
Nature Energy: Создана мембрана для удаления CO2, работающая на влажности
Nature Communications: Доказана перспективность универсальной вакцины от гриппа
Nature Communications: Доказана перспективность универсальной вакцины от гриппа
PRC: Ядерная структура титана-48 меняется при наблюдении с разного расстояния
PRC: Ядерная структура титана-48 меняется при наблюдении с разного расстояния
PRSBBS: Несколько видов муравьев выработали одинаковые отношения с деревьями
PRSBBS: Несколько видов муравьев выработали одинаковые отношения с деревьями
Кристаллографы СПбГУ раскрыли структуру минерала, открытого более 70 лет назад
Кристаллографы СПбГУ раскрыли структуру минерала, открытого более 70 лет назад
В МТУСИ разработали систему отслеживания модели человека во время фитнеса
В МТУСИ разработали систему отслеживания модели человека во время фитнеса
Студенты СевГУ предложили способ найти сбежавшую собаку при помощи спутника
Студенты СевГУ предложили способ найти сбежавшую собаку при помощи спутника
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Московский Политех открывает «Книгу будущего» для развития инновационных изданий
Московский Политех открывает «Книгу будущего» для развития инновационных изданий
Эффективность светодиодов для дополненной реальности выросла вдвое
Эффективность светодиодов для дополненной реальности выросла вдвое
Advanced Materials: Гидрогелевое средство контрацепции сможет лечить эндометриоз
Advanced Materials: Гидрогелевое средство контрацепции сможет лечить эндометриоз
Nature Physics: Новый коллайдер стал ближе с технологией маршалинга мюонов
Nature Physics: Новый коллайдер стал ближе с технологией маршалинга мюонов

Новости компаний, релизы

Московский вуз готовит профессионалов для защиты учебных заведений
Ведущие игроки агрорынка представят новинки на «Дне поля» в Агробиотехнопарке Казанского ГАУ
Московский Политех и ведущие российские компании запускают 79 практико-ориентированных образовательных программ
Студенты Университета МИСИС выиграли 2.8 млн рублей в хакатоне «Лидеры цифровой трансформации»
U-NOVUS 2024: технологическое развитие России немыслимо без университетов и инвестиций бизнеса в техпред