Раскрыта причина износа монокристаллических аккумуляторов для электромобилей

Команда ученых из Аргоннской национальной лаборатории и Притцкеровской школы молекулярной инженерии при Чикагском университете раскрыла причины, по которым перспективное поколение литий-ионных аккумуляторов, сулившее повышенную безопасность и увеличенный запас хода, не оправдало возложенных на него ожиданий.

Объектом исследования стали батареи с высоким содержанием никеля, которые являются стандартом для современного электротранспорта. В классических решениях используются поликристаллические катоды, состоящие из множества мелких зерен, однако для борьбы с микротрещинами и увеличения срока службы инженеры начали переходить на монокристаллические структуры. Тем не менее, практика показала, что такие элементы питания также подвержены преждевременной деградации и не всегда превосходят предшественников по характеристикам.

Проведенная работа выявила фундаментальную ошибку в проектировании: ученые обнаружили, что принципы, работающие для поликристаллических материалов, оказались неприменимы к монокристаллам.

«При разработке монокристаллических катодов специалисты долгое время опирались на концепции, созданные для поликристаллических ячеек, — поясняет Цзин Ван, ведущий автор научной работы. — Наше изыскание доказывает, что природа старения монокристаллических частиц коренным образом отличается от процессов, происходящих в поликристаллах».

Применив методы прецизионной электронной микроскопии и синхротронного рентгеновского анализа, исследователи установили, что разрушение монокристаллических катодов вызвано неоднородностью химических превращений. В разных зонах одной и той же частицы реакция протекает с неодинаковой скоростью, что создает критическое внутреннее напряжение, приводящее к образованию глубоких трещин.

«Результаты указывают на то, что износ никель-марганец-кобальтовых (NMC) катодов обусловлен специфическим механизмом механического разрушения, — отметил химик Тонгчао Лю. — Данное открытие позволяет установить прямую зависимость между химическим составом активного вещества и траекторией его деградации».

Полученные данные пересматривают устоявшиеся взгляды на материаловедение в энергетике. Если в поликристаллических катодах кобальт часто связывали с инициацией растрескивания, несмотря на его роль в стабилизации структуры, то в монокристаллах ситуация оказалась диаметрально противоположной.

Сравнительные тесты никель-кобальтовых и никель-марганцевых систем продемонстрировали, что марганец провоцирует более серьезную структурную деструкцию, в то время как кобальт, напротив, способствует сохранению целостности материала и продлевает жизнь аккумулятора.

«Нам требуются не только свежие стратегии проектирования, но и синтез материалов, адаптированных под современные требования к катодам, — подчеркнула Ширли Мэн, руководитель Консорциума по исследованиям в области хранения энергии. — Детальное понимание того, как стареют различные типы структур, откроет путь к созданию следующего поколения высокоэффективных накопителей энергии».

Тем не менее, широкое использование кобальта ограничено его высокой рыночной стоимостью. По словам Цзин Ван, приоритетной задачей теперь является поиск доступного аналога, способного обеспечить аналогичную структурную стабильность без удорожания производства аккумуляторных батарей.

Источник: iXBT