3D-модель кобальтового катода литий-ионного аккумулятора (такие используются в Айфонах и Андроид-смартфонах) показала, почему одни ячейки стареют быстрее, чем другие.
Учёные отсканировали в трёхмерном измерении (в 3D) микроструктуру отрицательного электрода из LiCoO2 (LCO). Для этого применялся метод сфокусированного электронно-ионного пучка микроскопа FIB-SEM. Посмотрим, что у них вышло.
🔋 Neovolt.ru ➡ Блог ➡ Научно-популярное
Учёные сделали то, что уже давно нужно было сделать
Сама идея снять катод в 3D-проекции с реально существующей (изготовленной на заводе) кобальтовой ячейки возникла у учёных в ходе большого исследования [вот оно]. Работа Джеймса Уилсона, Скотта Кронина, Скотта Барнетта и Стивена Харриса посвящена факторам, из-за которых долговечность литий-ионной батареи уже тридцать лет оставляет желать лучшего.
🔎 Например, срок службы батареи 5-8 лет беспокоит* сейчас всех производителей электромобилей.
* - О проблемах электромобилей можно почитать на Autonews (что к чему).
Учёные использовали сканирующий электронный микроскоп. Методом сфокусированного ионного пучка они обследовали положительный электрод просто купленного в магазине аккумулятора. И пришли к весьма интересным выводам.
3D-модель кобальтого катода Li-ion кое-что проясняет
На показанной выше трёхмерной проекции сделали количественный анализ. Частицы оказались совершенно неправильной формы (и это проблема).
🔎 Обратите внимание, какое значительное внутреннее растрескивание!
Трещины приводят к уменьшению (притом серьёзному) средней длины диффузии лития. Простыми словами площадь поверхности частицы катода с такими растрескиваниями будет больше, чем у правильной сферической частицы с той же объёмной долей.
Вообще со временем любая батарея деградирует, как известно, и выходит из строя — эдакий расходник. И как раз трещины на частицах катода связаны с таким старением.
❌ Растрескавшаяся поверхность, изогнутые и выпуклые формы мешают спроектированным маршрутам переноса лития внутри частиц.
То есть в любом совершенно новом литий-ионном аккумуляторе с кобальтовым катодом оказываются проблемные частицы. Они препятствуют эффективному переносу лития, плохо воздействуют на напряжения внутри частиц и тем самым ускоряют процесс деградации.
Катод из таких кобальтовых частиц склонен к разрушению (и сопутствующим рискам выхода из строя всей ячейки).