Американские исследователи раскрыли фундаментальный механизм деградации литий-ионных аккумуляторов, который приводит к снижению ёмкости, ускоренному износу и в отдельных случаях — к возгоранию. Работа объясняет природу наноскопических деформаций в катодах и пересматривает устоявшиеся подходы к проектированию батарей для электромобилей.
Исследование проведено командой из Аргоннская национальная лаборатория и Чикагский университет и посвящено сравнению двух типов никельсодержащих катодов — поликристаллических (PC-NMC) и монокристаллических (SC-NMC).
В чём заключалась проблема
Поликристаллические катоды PC-NMC давно известны склонностью к растрескиванию: границы между зёрнами служат очагами механических напряжений. В качестве альтернативы рассматривались монокристаллические материалы SC-NMC, лишённые межзерновых границ и потенциально более устойчивые.
Однако на практике SC-NMC часто демонстрировали худшие характеристики по ресурсу и стабильности. До сих пор это объясняли, используя те же модели деградации, что и для поликристаллических катодов — что, как выяснилось, было ошибкой.
Ключевое открытие
Исследователи показали, что механизм деградации монокристаллических катодов принципиально отличается от поликристаллических. В SC-NMC разрушение связано не с объёмным расширением кристаллической решётки, а с накоплением локальных наноскопических деформаций вдоль протяжённых путей диффузии лития.
Химико-механический анализ на уровне отдельных частиц выявил расхождение между:
- общей механической стабильностью материала;
- изменением объёма решётки при циклировании.
Это ставит под сомнение применимость традиционных критериев оценки деградации, разработанных для PC-NMC.
«Когда исследователи переходят к монокристаллическим катодам, они следуют тем же принципам проектирования, что и для поликристаллических, — поясняет первый автор работы Ван Цзин. — Наши результаты показывают, что эти предположения неверны».
Новая роль кобальта и марганца
На основе выявленного механизма команда переосмыслила влияние легирующих элементов:
- Кобальт оказался критически важным для SC-NMC: он смягчает локальные деформации и существенно увеличивает срок службы катода.
- Марганец, напротив, усиливает механическую деградацию монокристаллических материалов, несмотря на его традиционную роль в повышении стабильности PC-NMC.
Это означает, что оптимальные составы катодов для монокристаллической архитектуры должны разрабатываться с нуля, а не адаптироваться из существующих решений.
Шаг за пределы литий-ионных батарей
Параллельно в этом году американские исследователи представили катодный материал на основе железа, способный отдавать и принимать пять электронов вместо традиционных двух–трёх. Такой подход может радикально увеличить энергоёмкость аккумуляторов.
Потенциальные области применения технологии выходят за рамки электромобилей и включают:
- магнитно-резонансные томографы,
- маглев-поезда,
- перспективные сверхпроводящие системы.
Что это меняет
Работа закладывает основу для:
- увеличения срока службы аккумуляторов электромобилей,
- снижения риска теплового разгона,
- более точного подбора состава катодов под конкретную кристаллическую архитектуру.
Фактически речь идёт о пересмотре базовых принципов проектирования катодных материалов, что может ускорить переход к более надёжным и долговечным батареям следующего поколения.
Больше интересного – на медиапортале https://www.cta.ru/