Новое исследование раскрывает причины трещин в батареях и стратегии их предотвращения

Университет Чикаго, Притцкерская школа молекулярной инженерии, Чикаго, штат Иллинойс

Цзин Ван, постдокторант, работающий с Притцкерской школой молекулярной инженерии Университета Чикаго и Аргоннской национальной лабораторией, является первым автором новой статьи, раскрывшей некоторые корневые причины — и способы смягчения — наномасштабных деформаций, которые могут привести к трещинам в все более популярном типе батарей для электромобилей и других технологий. (Изображение: Джон Зич)

Разгадка таинства деградации батарей

Новое исследование из Аргоннской национальной лаборатории и Притцкерской школы молекулярной инженерии Университета Чикаго решило большую загадку батарей, приведшую к деградации емкости, сокращению срока службы и в некоторых случаях к пожарам.

В статье, опубликованной в Nature Nanotechnology, исследователи раскрыли некоторые корневые причины — и способы смягчения — наномасштабных деформаций, которые могут привести к трещинам в все более популярном типе батарей для электромобилей и других технологий.

«Электрификация общества требует вклада каждого», — сказал один из корреспондирующих авторов Халиль Амин, выдающийся ученый Аргонна и совместный профессор Университета Чикаго, — «Если люди не доверяют батареям в вопросах безопасности и долговечности, они не будут ими пользоваться».

Проблема поликристаллитных катодов

Из-за долгодавних проблем с трещинами в литий-ионных батареях, использующих поликристаллитные никель-богатые материалы (PC-NMC) в своих катодах, исследователи за последние несколько лет обратились к однокристаллитным никель-богатым слоистым оксидам (SC-NMC). Но они не всегда показывали схожую или лучшую производительность, чем старые модели.

Новое исследование, проведенное первым автором Цзин Ван во время ее докторской учебы, совместно курируемой лабораторией хранения и конвертации энергии профессора Ширли Мэн и командой передовых батарейных технологий Амина, выявило скрытую проблему: предположения, сделанные на основе поликристаллитных катодов, неверно применялись к однокристаллитным материалам.

«Когда люди пытаются перейти на однокристаллитные катоды, они следуют похожим принципам проектирования, как для поликристаллитных», — сказала Ван, теперь постдокторант, работающий с Университетом Чикаго и Аргонной. «Наша работа выявляет, что основной механизм деградации однокристаллитных частиц отличается от поликристаллитных, что приводит к другим требованиям к составу».

«Не только нужны новые стратегии проектирования, но также потребуются другие материалы, чтобы помочь батареям с однокристаллитными катодами раскрыть свой полный потенциал», — сказала Мэн, которая также является директором Альянса исследований хранения энергии (ESRA), базирующимся в Аргонне. «Лучше понимая, как разные типы катодных материалов деградируют, мы можем помочь спроектировать набор высокофункциональных катодных материалов для мировых энергетических нужд».

Разные механизмы деградации

Когда батарея с поликристаллитным катодом заряжается и разряжается, крошечные сложенные первичные частицы разбухают и сжимаются. Это повторяющееся расширение и сжатие может расширять зерновые границы, разделяющие поликристаллы, похоже на то, как повторяющиеся замораживания и оттепели создают ямы на городских улицах. «Обычно это составляет около 5-10 процентов объемного расширения или сжатия», — сказала Ван. «Как только расширение или сжатие превышает эластические пределы, это приводит к трещинам в частицах».

Если трещины расширяются слишком сильно, электролит может попасть внутрь, что ведет к нежелательным побочным реакциям и выделению кислорода, что поднимает вопросы безопасности, включая риск термического разбега. Но, исключая эти драматические обстоятельства, более повседневный эффект — деградация емкости — батареи со временем выцветают, становясь все менее способными выдавать тот же заряд, что и когда были новыми. Поскольку они не состоят из множества сложенных кристаллов, однокристаллитные катодные материалы не имеют тех исходных зерновых границ, но все равно деградировали.

«Мы доказали, что деградация в однокристаллитных NMC-катодах преимущественно управляется отличным механическим режимом отказа», — сказал другой корреспондирующий автор, Тунчао Лью, химик Аргонны. «Выявляя этот ранее недооцененный механизм, эта работа устанавливает прямую связь между составом материала и путями деградации, предоставляя более глубокое понимание источников снижения производительности в этих материалах».

Роль марганца и кобальта

Используя многошкальные синхротронные рентгеновские техники и высокоразрешающий трансляционный электронный микроскоп, они обнаружили, что трещины в однокристаллитных катодах в основном вызваны гетерогенностью реакции. Частицы проходили реакции с разной скоростью, вызывая деформацию не между множеством кристаллов, как в поликристаллитных конструкциях, а внутри одного.

Поликристаллитные катоды — это балансировка никеля, марганца и кобальта. Кобальт вызывает трещины, но был нужен для смягчения отдельной проблемы — Li/Ni беспорядка.

Создавая и тестируя одну никель-кобальтовую батарею (без марганца) и одну никель-марганцевую батарею (без кобальта), команда обнаружила, что для однокристаллитных катодов верно обратное. Марганец был более механически вреден, чем кобальт, и кобальт фактически помогал батареям служить дольше.

Однако кобальт дороже никеля или марганца. Ван сказала, что следующий шаг команды по превращению этой лабораторной инновации в реальный продукт — найти менее дорогие материалы, повторяющие хорошие результаты кобальта.

«Прогресс идет циклами», — сказал Амин. «Вы решаете проблему, затем переходите к следующей. Инсайты, изложенные в этой совместной статье, помогут будущим исследователям создавать более безопасные, долговечные материалы для батарей завтрашнего дня».

Для получения дополнительной информации свяжитесь с Халилем Амином по адресу: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it..