Исследователи из Университета Ханьян (Южная Корея) совершили прорыв в разработке полностью твердотельных батарей, решив ключевую проблему деградации их ёмкости. Результаты исследования показывают, как никельсодержащие катодные материалы можно модифицировать для повышения стабильности и долговечности аккумуляторов нового поколения.

Полностью твердотельные батареи, в которых вместо жидких электролитов используются твёрдые, считаются перспективной заменой литий-ионным батареям благодаря повышенной безопасности и энергоёмкости. Однако их массовому внедрению мешает деградация катодных активных материалов (КАМ), особенно при высоком содержании никеля — элемента, критически важного для увеличения ёмкости. Ранее было установлено, что никельсодержащие КАМ провоцируют химические реакции на границе с электролитом, а также механические деформации частиц, что приводит к потере до 50% ёмкости после сотен циклов зарядки.

Команда под руководством Нам-Юн Пака и Хан-Ук Ли синтезировала четыре типа КАМ на основе слоистого литий-никель-кобальт-алюминиевого оксида — соединения, где доля никеля (Ni), кобальта (Co) и алюминия (Al) варьируется, а их суммарная концентрация в структуре дополняется до 100%. В их число вошли базовые материалы, образцы с борным покрытием, легированные ниобием (Nb), а также гибридные версии с комбинацией этих модификаций. Эксперименты выявили два основных механизма деградации: при 80% Ni доминировала коррозия поверхности на стыке с электролитом, тогда как при 85% Ni и выше ёмкость снижалась из-за изоляции частиц внутри катода и их отслоения от электролита.

«Поверхностная деградация — главный враг стабильности для катодов с 80% никеля, — пояснили авторы работы. — Но при повышении его доли до 85% и более ключевым фактором становятся внутренние разрывы в структуре материала, которые “отрезают” частицы от электролита, блокируя движение ионов».

На основе этих данных учёные разработали КАМ с колонковой морфологией — структурой, которая компенсирует механические напряжения при циклировании. Тесты в полноразмерных ячейках с анодом из углерода и серебра (C/Ag) без металлического лития показали, что новые катоды сохраняют 80,2% начальной ёмкости после 300 циклов. Это на 15–20% лучше, чем у аналогов с аналогичным содержанием Ni.

Исследование впервые количественно оценило вклад разных факторов деградации в зависимости от концентрации никеля и предложило конкретное инженерное решение. Модифицированные катоды могут стать основой для коммерческих полностью твердотельных батарей с рекордной энергоёмкостью, которые найдут применение в электромобилях и системах хранения энергии. По оценкам экспертов, внедрение таких батарей сократит время зарядки до 15 минут и увеличит пробег электрокаров на одном заряде до 800 км, что ускорит переход на чистую энергетику.