Новое исследование Аргоннской национальной лаборатории и Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета (UChicago PME) утверждает, что разрешило загадку батареи, которая привела к снижению емкости, сокращению срока службы и, в некоторых случаях, к возгоранию.
В статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, исследователи раскрыли некоторые основные причины и способы смягчения наноскопических напряжений, которые могут привести к растрескиванию литий-ионных батарей с высоким содержанием никеля.
Из-за давней проблемы растрескивания литий-ионных аккумуляторов, в катодах которых используются поликристаллические материалы с высоким содержанием никеля (PC-NMC), исследователи в последние несколько лет обратились к монокристаллическим слоистым оксидам с высоким содержанием никеля (SC-NMC). Но они не всегда показывали такие же или лучшие характеристики, чем батареи более старых моделей.
Новое исследование, проведенное первым автором Цзин Ван во время ее докторской диссертации в UChicago PME в рамках программы GRC под совместным руководством Лаборатории хранения и преобразования энергии профессора Ширли Мэн и команды Amine’s Advanced Battery Technology, выявило основную проблему. Предположения, сделанные на основе поликристаллических катодов, неверно применялись к монокристаллическим материалам.
«Когда люди пытаются перейти на монокристаллические катоды, они следуют тем же принципам проектирования, что и поликристаллические», — сказал Ван, сейчас научный сотрудник Университета Чикаго и Аргонна. «Наша работа показывает, что основной механизм деградации монокристаллических частиц отличается от поликристаллических, что приводит к различным требованиям к составу».
Когда батарея, содержащая поликристаллический катод, заряжается и разряжается, крошечные сложенные друг на друга первичные частицы набухают и сжимаются. Это многократное расширение и сжатие может расширить границы зерен, разделяющие поликристаллы.
«Обычно объем увеличивается или уменьшается на 5-10%», — сказал Ван. «Как только расширение или сжатие превысит пределы упругости, это приведет к растрескиванию частиц».
Ежедневным эффектом является деградация мощности. А если трещины расширятся слишком сильно, внутрь может попасть электролит, что может привести к нежелательным побочным реакциям и выделению кислорода, что может вызвать проблемы с безопасностью, включая риск термического выхода из-под контроля.
Исследование также поставило под сомнение используемые материалы, по-новому определив роль кобальта и марганца в механических повреждениях батарей.
«Необходимы не только новые стратегии проектирования, но также потребуются различные материалы, чтобы помочь батареям с монокристаллическими катодами полностью раскрыть свой потенциал», — сказал Мэн, который также является директором Исследовательского альянса по хранению энергии (ESRA), базирующегося в Аргонне. «Лучше понимая, как разлагаются различные типы катодных материалов, мы можем помочь разработать набор высокофункциональных катодных материалов для мировых энергетических нужд».
Поликристаллические катоды представляют собой баланс никеля, марганца и кобальта. Кобальт вызывает растрескивание, но он необходим для смягчения отдельной проблемы, называемой беспорядок Li/Ni.
Создав и протестировав одну никель-кобальтовую и одну никель-марганцевую батарею, исследователи обнаружили, что для монокристаллических катодов все наоборот. Марганец был более вреден с механической точки зрения, чем кобальт, а кобальт продлевал срок службы батарей.
Однако кобальт дороже никеля или марганца. Ван сказал, что следующим шагом команды к превращению этой лабораторной инновации в реальный продукт является поиск менее дорогих материалов, которые повторяют хорошие результаты кобальта.
Источник: Прицкеровская школа молекулярной инженерии Чикагского университета.
