Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории и Чикагского университета выявили ключевую причину деградации и возгораний в современных литий-ионных аккумуляторах. Оказалось, что проблема кроется в наноскопических деформациях кристаллической решётки внутри катодов.
В чём была надежда?
Чтобы решить проблему растрескивания в традиционных поликристаллических катодах (PC-NMC), производители перешли на монокристаллические материалы (SC-NMC). Но они не всегда оказались надёжнее — срок службы и ёмкость всё равно снижались.
Что обнаружили учёные?
Цзин Ван, научный сотрудник лаборатории, объясняет: «Основной механизм разрушения монокристаллических частиц отличается от поликристаллических».
Проблема в структурной нестабильности:
- В монокристаллах возникают многомерные искажения решётки из-за неравномерности химических реакций при зарядке/разрядке.
- Это приводит к постепенной дезактивации материала и появлению микротрещин.
Неожиданная роль кобальта и марганца
Исследование перевернуло прежние представления:
- Кобальт, который вредил поликристаллическим катодам, оказался критически важен для стабильности монокристаллических.
- Марганец, наоборот, усиливает механическую деградацию в монокристаллах.
Что это значит для будущего аккумуляторов?
- Нужны новые принципы проектирования — нельзя просто заменить материал, сохранив старую конструкцию.
- Требуются другие комбинации элементов — например, изменение баланса кобальта и марганца.
- Понимание механизмов разрушения поможет создавать более безопасные и долговечные батареи.
Вывод: Прорыв в ёмкости и безопасности аккумуляторов возможен только через глубокое понимание физико-химических процессов на уровне кристаллической решётки. Это исследование задаёт новое направление для разработки аккумуляторов следующего поколения — не только для электромобилей, но и для всей энергетики.