Исследователи из Кембриджского и Ливерпульского университетов и Diamond Light Source определили одну из причин, по которой современные «богатые никелем» аккумуляторные материалы устают и не могут быть полностью заряжены после длительного использования. использовать.
Их результаты, опубликованные в журнале Nature Materials, открывают двери для разработки новых стратегий по увеличению срока службы батарей.
В рамках усилий по борьбе с изменением климата многие страны объявили об амбициозных планах по замене бензиновых или дизельных транспортных средств электромобилями к 2050 году или раньше.
Литий-ионные батареи, используемые в электромобилях, вероятно, будут доминировать на рынке электромобилей в обозримом будущем, а богатые никелем оксиды переходных металлов лития являются самым современным выбором для положительного электрода или катода в этих батареях.
В настоящее время катодные материалы большинства аккумуляторов электромобилей содержат значительное количество кобальта. Однако кобальт может нанести серьезный ущерб окружающей среде, поэтому исследователи пытались заменить его никелем, который также предлагает более высокие практические возможности, чем кобальт.
Однако материалы с высоким содержанием никеля разлагаются намного быстрее, чем существующие технологии, и требуют дополнительных исследований, чтобы быть коммерчески жизнеспособными для таких приложений, как электромобили.
«В отличие от расходной электроники, срок службы которой обычно составляет всего несколько лет, ожидается, что транспортные средства будут служить намного дольше, и поэтому важно увеличить срок службы батареи электромобиля», – сказал д-р Чао Сюй из химического факультета Кембриджа и первый автор. статьи. "Вот почему всестороннее и глубокое понимание того, как они работают и почему они терпят неудачу в течение длительного времени, имеет решающее значение для повышения их производительности."
Чтобы отслеживать изменения материалов батареи в режиме реального времени в течение нескольких месяцев тестирования батареи, исследователи использовали лазерную технологию для разработки нового монетного элемента, также известного как кнопочный элемент. «Эта конструкция предлагает новую возможность изучения механизмов деградации в течение длительного периода циклической работы для многих типов батарей», – сказал Сюй. В ходе исследования исследователи обнаружили, что часть материала катода становится утомляемой после повторяющейся зарядки и разрядки элемента, а количество утомляемого материала увеличивается по мере продолжения цикла.
Сюй и его коллеги глубоко погрузились в структуру материала на атомном уровне, чтобы найти ответы на вопрос, почему происходит такой процесс утомления. «Чтобы полностью функционировать, материалы батарей должны расширяться и сжиматься по мере того, как ионы лития перемещаются внутрь и наружу», – сказал Сюй. «Однако после длительного использования мы обнаружили, что атомы на поверхности материала перестроились, чтобы сформировать новые структуры, которые больше не могут накапливать энергию."
Что еще хуже, эти области реконструированной поверхности, по-видимому, действуют как колья, которые удерживают остальной материал на месте и предотвращают его сжатие, необходимое для достижения полностью заряженного состояния.
В результате литий остается застрявшим в решетке, и этот усталый материал может удерживать меньше заряда.
Обладая этими знаниями, исследователи теперь ищут эффективные меры противодействия, такие как защитные покрытия и функциональные добавки к электролиту, чтобы смягчить этот процесс деградации и продлить срок службы таких батарей.