Этот скрытый дефект разрушал батареи электромобилей
Учёные обнаружили, что монокристаллические катоды литий-ионных аккумуляторов разрушаются из-за неравномерных внутренних реакций, а не границ зёрен, и что кобальт, считавшийся вредным, на самом деле продлевает их жизнь
Короткое резюме
Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории и Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета раскрыли причину преждевременного разрушения перспективных монокристаллических катодов (SC-NMC) в литий-ионных аккумуляторах. Оказалось, что они деградируют не из-за трещин по границам зёрен, как в поликристаллических катодах, а из-за внутренних напряжений, возникающих при неравномерной реакции литирования/делитирования в объёме единого кристалла. Это меняет ключевые принципы проектирования таких батарей.
Используя синхротронную рентгеновскую микроскопию и высокоразрешающую электронную микроскопию, команда обнаружила, что в монокристаллических катодах традиционный баланс элементов должен быть пересмотрен. Вопреки устоявшимся представлениям, кобальт, который в поликристаллах способствует растрескиванию, в монокристаллах, наоборот, снижает механические повреждения и продлевает срок службы. А марганец, который обычно стабилизирует структуру, в монокристаллическом варианте усиливает деградацию.
Это открытие открывает путь к созданию более безопасных и долговечных аккумуляторов для электромобилей и других энергоёмких применений. Следующая задача — найти более доступные альтернативы дорогостоящему кобальту, которые обеспечат тот же стабилизирующий эффект. Работа подчёркивает необходимость разработки индивидуальных подходов к проектированию материалов в зависимости от их кристаллической структуры, а не слепого копирования принципов.
Новый механизм деградации
Монокристаллические катоды разрушаются из-за внутренних напряжений от неравномерных реакций литирования внутри единого кристалла, а не из-за трещин по границам зёрен, как в поликристаллических аналогах
Пересмотр роли элементов
В монокристаллических материалах кобальт, вопреки прежним представлениям, снижает механические повреждения и продлевает жизнь батареи, тогда как марганец, наоборот, усиливает деградацию
Ошибочность универсальных подходов
Принципы проектирования, разработанные для поликристаллических катодов, оказались неприменимы к монокристаллическим, что объясняло их неожиданно низкую производительность
Путь к более долговечным батареям
Понимание этого механизма позволяет разрабатывать новые составы и структуры катодов, что приведёт к созданию более безопасных и долговечных аккумуляторов для электромобилей и накопителей энергии
Текст сгенерирован с использованием ИИ
