Новое исследование раскрывает причины растрескивания аккумуляторов и стратегии борьбы с ними

Чикагский университет, Притцкеровская школа молекулярной инженерии, Чикаго, Иллинойс

Цзин Ван, постдокторант, работающий в Притцкеровской школе молекулярной инженерии Чикагского университета и Аргоннской национальной лаборатории, является первым автором новой статьи, в которой раскрыты некоторые коренные причины — и способы смягчения — наноскопических напряжений, которые могут привести к растрескиванию все более популярной формы аккумуляторов для электромобилей и других технологий. (Изображение:Джон Зич)

Новое исследование Аргоннской национальной лаборатории и Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета разрешило главную загадку батареи, которая привела к снижению емкости, сокращению срока службы и, в некоторых случаях, к возгоранию.

В статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology. , исследователи выявили некоторые основные причины и способы смягчения наноскопических напряжений, которые могут привести к растрескиванию все более популярной формы аккумуляторов для электромобилей и других технологий.

«Электрификация общества требует вклада каждого, — сказал один из авторов Халил Амин, заслуженный научный сотрудник Аргонна и доцент Чикагского университета. — Если люди не верят, что батареи безопасны и долговечны, они не захотят их использовать».

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 такую же или лучшую производительность, чем старая модель.

Новое исследование, проведенное первым автором Цзин Ван во время работы над докторской диссертацией. период, совместно контролируемый Лабораторией хранения и преобразования энергии профессора Ширли Мэн и командой Amine's Advanced Battery Technology, выявил основную проблему:предположения, сделанные на основе поликристаллических катодов, неправильно 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 Чикагского университета и Аргоннского университета. «Наша работа показывает, что основной механизм деградации монокристаллических частиц отличается от поликристаллических, что приводит к различным требованиям к составу».

«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».

По мере того как батарея с поликристаллическим катодом заряжается и разряжается, крошечные сложенные друг на друга первичные частицы набухают и сжимаются. Это многократное расширение и сжатие может расширить границы зерен, разделяющие поликристаллы, подобно тому, как повторяющееся замораживание и оттаивание приводит к образованию выбоин на городских улицах. «Обычно объем увеличивается или уменьшается на 5–10 процентов», — сказал Ван. «Как только расширение или сжатие превысит пределы упругости, это приведет к растрескиванию частиц».

Если трещины расширяются 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. Но, если не считать этих драматических обстоятельств, более повседневным эффектом является снижение емкости:батареи со временем тускнеют, становясь все более неспособными обеспечивать тот же заряд, который они делали, когда они были новыми. Поскольку монокристаллические катодные материалы не состоят из множества сложенных кристаллов, они не имеют начальных границ зерен, но все еще деградируют.

«Мы продемонстрировали, что деградация монокристаллических NMC-катодов преимущественно определяется определенным типом механического разрушения», — сказал другой автор-корреспондент, Тонгчао Лю, химик из Аргонна. «Выявив этот ранее недооцененный механизм, эта работа устанавливает прямую связь между составом материала и путями деградации, обеспечивая более глубокое понимание причин снижения производительности этих материалов».

Используя многомасштабные методы синхротронного рентгеновского излучения и просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения, они обнаружили, что растрескивание монокристаллических катодов в первую очередь обусловлено гетерогенностью реакции. Частицы вступали в реакции с разной скоростью, вызывая напряжение не между многими кристаллами, как в поликристаллических конструкциях, а внутри одного.

Поликристаллические катоды представляют собой баланс никеля, марганца и кобальта. Кобальт вызывает растрескивание, но он был необходим для смягчения отдельной проблемы — беспорядка Li/Ni.

Создав и протестировав одну никель-кобальтовую батарею (без марганца) и одну никель-марганцевую батарею (без кобальта), команда обнаружила, что для монокристаллических катодов все наоборот. Марганец более вреден с механической точки зрения, чем кобальт, а кобальт фактически продлевает срок службы батарей.

Однако кобальт дороже никеля или марганца. Ван сказал, что следующим шагом команды на пути превращения этой лабораторной инновации в реальный продукт станет поиск менее дорогих материалов, повторяющих хорошие результаты кобальта.

«Прогресс происходит циклично», — сказал Амин. "Вы решаете проблему, а затем переходите к следующей. Выводы, изложенные в этой совместной статье, помогут будущим исследователям создавать более безопасные и долговечные материалы для батарей завтрашнего дня".

Для получения дополнительной информации свяжитесь с Халилом Амином по адресу:Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра у вас должен быть включен JavaScript.