Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории и Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета выяснили, почему новый тип литий-ионных батарей, которые когда-то считались более безопасными и обладающими большим запасом хода, не оправдал ожиданий.

Данное исследование посвящено литий-ионным батареям с высоким содержанием никеля — типу батарей, широко используемых в электромобилях. В традиционных батареях с высоким содержанием никеля используются поликристаллические катоды, состоящие из множества мельчайших кристаллов, но исследователи постепенно переключили свое внимание на монокристаллические катоды, чтобы избежать растрескивания батарей и повысить их долговечность. Однако монокристаллические батареи не всегда демонстрируют лучшие характеристики и демонстрируют признаки старения.

Новое исследование выявляет причину отказов монокристаллических катодов. Исследовательская группа указывает на то, что предыдущие выводы, основанные на поликристаллических материалах, были неверно применены к проектированию монокристаллических ячеек.

«Когда люди пытаются заняться разработкой монокристаллических катодов, они по-прежнему используют концепцию проектирования поликристаллических ячеек, — сказала Цзин Ван, первый автор исследования. — Наше исследование подтверждает, что основной механизм старения монокристаллических частиц совершенно отличается от механизма старения поликристаллических материалов».

Используя передовые технологии синхротронного рентгеновского излучения и электронную микроскопию высокого разрешения, исследователи обнаружили, что растрескивание в монокристаллических катодах вызвано неоднородностью реакции. Различные области внутри монокристаллической частицы демонстрируют разные скорости реакции, и возникающее внутреннее напряжение вызывает растрескивание внутри частицы.

«Наше исследование показывает, что старение никель-марганцево-кобальтовых (NMC) катодов в основном определяется уникальным механическим механизмом разрушения, — сказал Тонгчао Лю, химик из Аргоннской национальной лаборатории. — Это исследование устанавливает прямую связь между составом материала и путями старения».

Это открытие также опровергает традиционные представления о материалах для батарей. В поликристаллических катодах кобальт, хотя и считается фактором, усугубляющим растрескивание батареи, необходим для поддержания структурной стабильности батареи и предотвращения структурных нарушений. Однако в монокристаллических катодах ситуация прямо противоположная.

Исследовательская группа в ходе отдельных испытаний никель-кобальтовых и никель-марганцевых батарей обнаружила, что марганец вызывает более серьезные механические повреждения батарей, в то время как кобальт может повысить их долговечность.

«Нам нужны не только совершенно новые стратегии проектирования, но и разработка новых материалов, подходящих для существующих катодов, — сказала Ширли Мэн, директор Консорциума по исследованиям в области хранения энергии Аргоннской национальной лаборатории. — Более глубокое понимание механизмов старения различных типов катодных материалов позволит нам разработать целый ряд высокоэффективных катодных материалов».

Однако, несмотря на свои преимущества, кобальт имеет и существенный недостаток – высокую стоимость. Ван Цзин заявил, что следующая насущная задача – найти недорогой альтернативный материал, способный воспроизвести стабилизирующий эффект кобальта без увеличения себестоимости производства батарей.