Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) имеют долгую историю прорывных открытий в области литий-ионных аккумуляторов. Многие из этих открытий были сосредоточены на катоде батареи, известном как NMC, оксид никеля, марганца и кобальта. Батареи с этим катодом теперь питают Chevy Bolt.
Исследователи Аргонны совершили еще один прорыв с катодом NMC. Новая структура микрочастиц катода, разработанная командой, может привести к созданию более долговечных и безопасных батарей, способных работать при очень высоком напряжении и питать транспортные средства на больших расстояниях. Статья об этом исследовании появилась в журнале Nature Energy.
«Современный катод NMC представляет собой серьезное препятствие для работы при высоком напряжении», — сказал Гуйлян Сюй, помощник химика. При циклическом заряде-разряде производительность быстро снижается из-за образования трещин в катодных частицах. В течение нескольких десятилетий исследователи батарей искали способы устранения этих трещин.
Один из прошлых подходов включал микромасштабные сферические частицы, состоящие из множества гораздо более мелких частиц. Крупные сферические частицы являются поликристаллическими, с по-разному ориентированными кристаллическими областями. В результате у них есть то, что ученые называют границами зерен между частицами, которые вызывают растрескивание при циклировании батареи. Чтобы предотвратить это, Сюй и его коллеги из Аргонна ранее разработали защитное полимерное покрытие вокруг каждой частицы. Это покрытие окружает крупные сферические частицы и более мелкие внутри них.
Другой подход, позволяющий избежать этого растрескивания, включает использование монокристаллических частиц. Электронная микроскопия этих частиц показала, что они не имеют границ.
Проблема, с которой столкнулась команда, заключалась в том, что катоды, изготовленные как из поликристаллов с покрытием, так и из монокристаллов, по-прежнему образовывали трещины при циклировании. Таким образом, они подвергли эти катодные материалы всестороннему анализу в Усовершенствованном источнике фотонов (APS) и Центре наноразмерных материалов (CNM), пользовательских объектах Управления науки Министерства энергетики США в Аргонне.
Различные рентгеновские анализы проводились на пяти лучах APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C и 34-ID-E). Оказалось, что то, что ученые считали монокристаллами, как показала электронная и рентгеновская микроскопия, на самом деле имело границы внутри. Сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия в CNM подтвердили это открытие.
«Когда мы смотрим на морфологию поверхности этих частиц, они выглядят как монокристаллы», — сказал физик Вэньцзюнь Лю. «Но когда мы используем метод, называемый синхротронной рентгеновской дифракционной микроскопией, и другие методы в APS, мы обнаруживаем границы, скрытые внутри».
Важно отметить, что команда разработала метод производства монокристаллов без границ. Испытания малых элементов с такими монокристаллическими катодами при очень высоком напряжении показали увеличение запаса энергии на единицу объема на 25%, практически без потери производительности за 100 циклов испытаний. Напротив, за тот же срок службы емкость снизилась на 60–88 % в катодах из НМК, состоящих из монокристаллов с множеством внутренних границ или из поликристаллов с покрытием.
Расчеты в атомном масштабе выявили механизм снижения емкости катода. По словам наноученого Марии Чан из CNM, по сравнению с областями, удаленными от них, границы более уязвимы к потере атомов кислорода при зарядке батареи. Эта потеря кислорода приводит к деградации с клеточным циклом.
«Наши расчеты показали, как границы приводят к выделению кислорода при высоком напряжении и, следовательно, к снижению производительности», — сказал Чан.
Устранение границ предотвращает выделение кислорода и тем самым повышает безопасность и стабильность катода при циклировании. Измерения выделения кислорода в APS и усовершенствованном источнике света в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США подтвердили этот вывод.
«Теперь у нас есть рекомендации, которые производители аккумуляторов могут использовать для подготовки катодного материала , который не имеет границ и работает при высоком напряжении », — сказал Халил Амин, почетный научный сотрудник Аргонны. «И руководящие принципы должны применяться к другим катодным материалам, помимо NMC».
