Перспективная технология, разрабатываемая крупными производителями аккумуляторов, стала еще более привлекательной благодаря исследователям, которые изучили один ключевой барьер на пути к более совершенным и долговечным литий-ионным батареям.
Ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США сообщают о новых открытиях о том, как сделать монокристаллический катод, богатый никелем, более прочным и эффективным.
Исследователи по всему миру работают над созданием батарей, которые доставляют больше энергии, служат дольше и дешевле в производстве. Усовершенствованные литий-ионные аккумуляторы имеют решающее значение для более широкого внедрения электромобилей.
Проблем очень много. Простой внешний вид батареи скрывает ее сложность. Управление сложными молекулярными взаимодействиями внутри имеет важное значение для правильной работы устройства. Постоянные химические реакции берут свое, ограничивая срок службы батареи и влияя на ее размер, стоимость и другие факторы.
Новая технология: Получение богатого никелем катода — большая энергетическая емкость
Ученые работают над способами хранения большего количества энергии в катодных материалах за счет увеличения содержания никеля. Никель находится на чертежной доске производителей литий-ионных аккумуляторов в основном из-за его относительно низкой стоимости, широкой доступности и низкой токсичности по сравнению с другими ключевыми материалами батарей, такими как кобальт.
В то время как никель имеет большие перспективы, в больших количествах он может создавать проблемы в батареях. Чем больше никеля в решетке материала, тем менее стабилен катод. Высокое содержание никеля может увеличить нежелательные побочные реакции, повреждая материал и делая хранение и обработку очень трудными.
В настоящее время наиболее распространенным катодом, богатым никелем, являются поликристаллы-агрегаты многих нанокристаллов в одной более крупной частице. Они имеют преимущества для быстрого хранения и разрядки энергии.
Но поликристаллы иногда ломаются при повторном циклировании. Это может оставить большую часть поверхности под воздействием электролита, ускоряя нежелательные химические реакции, вызванные высоким содержанием никеля и генерируя газ. Данное необратимое повреждение приводит к тому, что батарея с богатым никелем катодом выходит из строя быстрее и вызывает проблемы безопасности.
Исследователи PNNL разработали процесс выращивания высокоэффективных кристаллов в расплавленных солях-хлориде натрия, обычной поваренной соли — при высокой температуре.
В чем преимущество монокристалла по сравнению с поликристаллическим материалом?
Твердая глыба льда тает гораздо медленнее, чем такое же количество льда, которое поступает в виде небольших кубиков; глыба льда более устойчива к повреждениям от более высоких температур и других внешних сил.
Аналогично обстоит дело с катодами, богатыми никелем: совокупность мелких кристаллов гораздо более уязвима к окружающей среде, чем Монокристалл при определенных условиях, особенно при высоком содержании никеля. Поскольку никель склонен вызывать нежелательные химические реакции.
С течением времени, при повторных циклах батареи, агрегаты в конечном счете распыляются, разрушая структуру катода. Это не такая уж большая проблема, когда количество никеля в катоде меньше; в таких условиях поликристаллический катод, содержащий никель, обеспечивает высокую мощность и стабильность. Однако проблема становится более очевидной, когда ученые создают катод с большим количеством никеля.
Команда PNNL обнаружила одну причину, по которой монокристаллический катод, богатый никелем, разрушается: это происходит из-за процесса, известного как скольжение кристалла, когда кристалл начинает разрушаться, что приводит к микротрещинам. Они обнаружили, что при определенных условиях скольжение является частично обратимым, и предложили способы избежать повреждения в целом.
Оказывается, что в основе микротрещин лежат скользящие движения в слоях кристаллической решетки. Слои перемещаются взад и вперед, как карты в колоде, когда их тасуют. Скольжение происходит по мере того, как батарея заряжается и разряжается-ионы лития отходят и возвращаются к катоду, каждый раз слегка напрягая кристалл. На протяжении многих циклов повторное скольжение приводит к образованию микротрещин.
Этот процесс может частично обратить себя вспять благодаря естественным действиям атомов лития, которые создают напряжения в одном направлении, когда ионы входят в кристаллическую решетку, и в противоположном направлении, когда они покидают ее. Но эти два действия не полностью отменяют друг друга, и со временем микротрещины будут возникать. Вот почему монокристаллы в конечном счете терпят неудачу, хотя они и не распадаются на мелкие частицы, как их поликристаллические аналоги.
Исследователи обнаружили, что работа батареи при обычном напряжении-около 4,2 вольта-минимизирует повреждения, оставаясь в пределах нормального диапазона литий-ионных аккумуляторов для электромобилей. Команда также предсказывает, что сохранение размера монокристалла ниже 3,5 микрон может избежать повреждения даже при более высоких напряжениях.
По оценкам специалистов, монокристаллический катод, обогащенный никелем, содержит по меньшей мере на 25 процентов больше энергии, чем литий-ионные аккумуляторы, используемые в современных электромобилях.
Теперь группа специалистов будет исследовать влияние передовых солей лития на производительность монокристаллических катодных материалов, богатых никелем, демонстрируя этот процесс в килограммовом масштабе.