Южнокорейские учёные разработали метод замедления износа полностью твердотельных батарей с катодами из никеля

Ученые из Университета Ханьян, расположенного в Южной Корее, достигли существенного прогресса в разработке полностью твердотельных аккумуляторных систем, сумев устранить главную проблему снижения их ёмкости. Данные исследования демонстрируют, как можно модифицировать никельсодержащие катодные материалы для повышения устойчивости и долговечности аккумуляторов нового поколения.

Полностью твёрдотельные аккумуляторы, использующие твёрдые электролиты вместо жидких, рассматриваются как потенциальная замена литий-ионным батареям благодаря их повышенной безопасности и энергоэффективности. Однако массовое использование этих батарей затрудняется из-за деградации катодных активных материалов (КАМ), особенно в тех случаях, где содержание никеля высоко. Никель — ключевой элемент для увеличения ёмкости, но ранее было обнаружено, что никельсодержащие КАМ вызывают химические реакции на границе с электролитом и механические деформации частиц, что может привести к потере до 50% ёмкости после нескольких сотен циклов зарядки.

Группа под руководством Нам-Юн Пака и Хан-Ук Ли смогла создать четыре типа КАМ, основанных на слоистом оксиде литий-никель-кобальт-алюминия, в котором содержание никеля (Ni), кобальта (Co) и алюминия (Al) варьируется, а их общая доля в структуре составляет 100%. В этих экспериментах были рассмотрены базовые материалы, образцы с борным покрытием, легированные ниобием (Nb), а также гибридные версии с комбинацией перечисленных модификаций. Испытания выявили два центральных механизма деградации: при 80% содержании Ni основным источником потерь является коррозия поверхности на стыке с электролитом, тогда как при содержании Ni более 85% ёмкость уменьшается из-за изоляции частиц в катоде и их отделения от электролита.

«Разрушение поверхности является главным противником стабильности для катодов с 80% содержания никеля, — объяснили авторы исследования. — Однако при увеличении этой доли до 85% и выше наибольшее значение начинают иметь внутренние разрывы в структуре материала, что препятствует взаимодействию частиц с электролитом и затрудняет движение ионов».

На основе этих открытий ученые создали КАМ с колонковой морфологией — структурой, способной компенсировать механические напряжения во время циклирования. Испытания в полномасштабных ячейках с углеродным и серебряным анодом (C/Ag) без использования металлического лития показали, что новые катоды сохраняют 80,2% от изначальной ёмкости спустя 300 циклов. Это на 15–20% выше, чем у аналогичных катодов с сопоставимым содержанием Ni.

Исследование впервые количественно оценило влияние различных факторов деградации в зависимости от концентрации никеля и предложило конкретные инженерные решения. Модифицированные катоды открывают путь к коммерческой реализации полностью твердотельных батарей с рекордной энергоёмкостью, которые могут быть использованы в электромобилях и системах хранения энергии. Эксперты считают, что широкое внедрение таких батарей позволит сократить время зарядки до 15 минут и увеличить запас хода электромобилей до 800 км на одном заряде, что значительно ускорит переход к чистой энергетике.

Источник: iXBT