Аккумуляторы для электромобилей следующего поколения: ученые решают проблему катода с высоким содержанием никеля, снижая остаточный литий

Прочитано: 215 раз(а)


Исследователи решили давнюю проблему в катодных материалах с высоким содержанием никеля, ключевом компоненте аккумуляторов электромобилей (EV) следующего поколения. Команда успешно повторно определила местоположение остаточных соединений лития, которые долгое время считались хронической проблемой в катодах с высоким содержанием никеля, и предложила новую стратегию разработки материалов для существенного минимизации остаточного содержания лития.

Статья опубликована в журнале Journal of Materials Chemistry A. В состав исследовательской группы входят Уён Джин и Хёнён Ча из Ульсанского центра исследований и разработок в области передовых энергетических технологий при Корейском институте энергетических исследований.

Катодные материалы с высоким содержанием никеля являются основным компонентом литий-ионных аккумуляторов следующего поколения, используемых в электромобилях (ЭМ) и других приложениях. По мере увеличения содержания никеля в катоде увеличивается и плотность энергии аккумулятора, что приводит к увеличению дальности поездки для ЭМ. С содержанием никеля до 80% катоды с высоким содержанием никеля становятся ключевой технологией на будущем рынке аккумуляторов для ЭМ.

Однако по мере увеличения содержания Ni на поверхности катодного материала наблюдается избыточное образование остаточных соединений Li. Это приводит к явлению, известному как гелеобразование, когда электродная суспензия затвердевает в гелеобразном состоянии.

В результате частицы активного материала распределяются неравномерно, а адгезия между компонентами электрода уменьшается примерно на 20%, что в конечном итоге ставит под угрозу целостность и производительность электрода. Примечательно, что эта проблема наблюдалась даже в коммерчески доступных катодных материалах, что подчеркивает настоятельную необходимость в решениях, которые обеспечат стабильное производство и надежную работу аккумулятора.

Ранее считалось, что остаточный Li присутствует на поверхности катодных частиц. Соответственно, для его удаления использовались процессы промывки поверхности с использованием дистиллированной воды или методы внешнего покрытия. Однако эти подходы не смогли полностью решить проблемы снижения производительности литий-ионных аккумуляторов.

В прорывном открытии исследовательская группа первой подтвердила, что остаточный литий присутствует не только на поверхности, но и существует между внутренними частицами высоконикелевых катодных материалов, бросая вызов традиционным предположениям. Это открытие показало, что упущенная из виду внутренняя структура катода играет решающую роль в ухудшении производительности батареи и сокращении срока службы. Основываясь на этом понимании, группа предложила новую стратегию разработки материалов, направленную на фундаментальное подавление образования остаточного лития.

Используя передовые аналитические методы, включая электронную микроскопию высокого разрешения, анализ адсорбции азота и спектроскопию потери энергии электронов , исследовательская группа провела детальное исследование материала катода. Они определили, что остаточные соединения Li существуют в кристаллической форме в межзеренных порах между частицами, и подтвердили, что это одна из основных причин ухудшения производительности аккумулятора.

На основании этих результатов исследователи предложили использовать монокристаллические структурированные катодные материалы с высоким содержанием Ni для подавления образования остаточного Li внутри катода. Поскольку монокристаллические структуры имеют минимальные или нулевые границы зерен между первичными частицами, они предотвращают образование межчастичных зазоров, эффективно устраняя пространство, где могли бы кристаллизоваться остаточные соединения Li.

Исследовательская группа сообщила, что использование монокристаллических катодных материалов с высоким содержанием никеля может снизить остаточный уровень Li до 54% ​​по сравнению с обычными катодами. Это значительное снижение приближает промышленность и академическое сообщество к достижению цели поддержания остаточных соединений Li ниже 2000 ppm.

Доктор Джин и доктор Ча, возглавлявшие исследовательскую группу, заявили: «Это исследование знаменует собой первый углубленный анализ, выходящий за рамки подходов на уровне поверхности и изучающий проблемы остаточного лития во внутренней структуре частиц катода. Оно представляет собой критический поворотный момент в понимании структурной стабильности и механизмов ухудшения характеристик высоконикелевых катодов».

«Мы считаем, что эти идеи, примененные к проектированию и обработке катодных материалов, сыграют важную роль в продвижении разработки и коммерциализации литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии».

Железо может стать ключом к созданию менее дорогих и экологически чистых литий-ионных батарей



Новости партнеров