Улучшенный катодный материал для аккумуляторов электромобилей обеспечивает до 25 % больше энергии для более длительных поездок

Прочитано: 188 раз(а)


Исследователи Сколтеха разработали новый материал для литий-ионных аккумуляторов электромобилей. Благодаря сверхвысокой плотности энергии новый катодный материал обещает большую дальность вождения на одном заряде. Этот материал, о котором сообщается в Energy Advances и запатентован Роспатентом, представляет собой знакомый слоистый оксид переходного металла с высоким содержанием никеля, но с измененной микроструктурой, которая содержит больше энергии на единицу объема.

«Катодные материалы являются важным узким местом в отношении аккумуляторов для электромобилей, — прокомментировал главный исследователь профессор Артем Абакумов из Skoltech Energy. «Катоды в батареях электромобилей, как правило, используют слоистые оксиды переходных металлов , в том числе богатые никелем. Мы улучшили два широко используемых материала этого типа, добившись увеличения плотности энергии на 10-25%. более компактные батареи и, следовательно, большая емкость для хранения энергии при том же объеме. В качестве дополнительного бонуса материал медленнее портится».

Слоистый оксид, первоначально использовавшийся в катодах батарей, имел формулу LiCoO 2 . В используемых в настоящее время материалах некоторые атомы кобальта заменены никелем и марганцем. Эти материалы известны под техническими названиями, такими как NMC811, где числа отражают соотношение между тремя элементами в химической формуле — например, восемь атомов никеля на один атом марганца и один атом кобальта. Не изменяя их химический состав , исследователи Сколтеха улучшили NMC811 и его двоюродного брата NMC622, изменив микроструктурную организацию материалов.

Обычные НМК представляют собой порошкообразные поликристаллические материалы, а это означает, что каждая вторичная частица состоит из беспорядочно ориентированных зерен. Кристаллическая структура внутри любого данного зерна практически безупречна, но, поскольку никакие два зерна не подходят друг другу идеально, на границах зерен неизбежно возникают пустые пространства. Монокристаллические аналоги поликристаллических NMC — это то, что говорит само название: каждая частица порошка представляет собой, по сути, одно большое зерно без пустых пространств. Эти монокристаллы обычно имеют форму октаэдра.

«Наш материал представляет собой монокристаллический NMC со сферическими частицами, сочетающий в себе лучшее из обоих миров с точки зрения максимальной плотности. В отличие от поликристаллов, частицы порошка не имеют внутренней структуры, поэтому на границах зерен нет пустых пространств. кроме того, в тот же ограниченный объем можно упаковать больше монокристаллов сферической формы, чем октаэдрических, так что за счет этого тоже получается большая плотность», — говорит соавтор исследования, научный сотрудник Сколтеха Александра Савина.

Помимо более плотной упаковки, сферическая форма кристаллов уменьшает площадь контакта с электролитом, сводя к минимуму нежелательные взаимодействия, которые со временем вызывают деградацию катода из-за образования трещин в частицах обычных НМК. Это должно увеличить срок службы катода и батареи в целом.

Чтобы изменить морфологию слоистого оксида, исследователи Сколтеха усовершенствовали процедуру синтеза, основанную на так называемом флюсовом методе.

Обычно вы начинаете с прекурсора с однородно распределенными никелем, марганцем и кобальтом. Вы смешиваете гидроксид лития или какой-либо другой источник лития и отжигаете при высокой температуре.

«Что мы делаем, так это после добавления литийсодержащего соединения, мы также смешиваем инертную соль с низкой температурой плавления, расплавляем эту смесь и отжигаем при высокой температуре. Затем мы смываем соль и снова отжигаем, чтобы избавиться от продуктов любых нежелательных реакций с водой. Но ключевой момент заключается в том, что в зависимости от того, какая инертная соль используется и в каком количестве, будет меняться геометрия частиц. С другой стороны, при обычном синтезе вы мало что можете сделать для влияют на морфологию», — пояснила соавтор исследования, студентка магистратуры Сколтеха Алина Павлова.

Команда определила параметры соли, которые способствовали образованию сферических частиц. Испытания подтвердили, что полученный материал имел такую ​​же емкость хранения энергии на единицу массы, как и коммерческие аналоги, но имел большую плотность энергии , что позволяло упаковывать больше энергии в то же ограниченное пространство.

На вопрос о своих планах на будущее исследователи сказали, что намерены экспериментировать с размером частиц, комбинируя меньшие и большие сферы для еще более плотной упаковки. Команда также будет заниматься многослойными оксидами переходных металлов, которые заменят еще больше атомов кобальта и марганца никелем, что еще больше повысит емкость накопления энергии.

Улучшенный катодный материал для аккумуляторов электромобилей обеспечивает до 25 % больше энергии для более длительных поездок



Новости партнеров