Диджитал Внутри батарей нового поколения появляются трещины: ученые нашли причину, но не спасение
Некоторые монокристаллические катоды в батареях электромобилей нового поколения могут трескаться изнутри примерно после 100 циклов заряда-разряда.
Ожидалось, что монокристаллические материалы устранят внутренние швы, где часто возникают трещины, и увеличат долговечность аккумуляторов, однако новые лабораторные испытания выявили серьезную проблему. Ученые из Аргоннской национальной лаборатории и Чикагского университета опубликовали результаты исследования в журнале Nature Nanotechnology.
Во время использования батареи ионы лития перемещаются с отрицательного электрода на катод, а электроны движутся по внешней цепи, приводя в движение двигатель электромобиля. Жидкий электролит в каждой энергетической ячейке поддерживает процесс и переносит ионы лития между электродами.
Відео дня
Если в аккумуляторе возникают трещины и электролит вытекает из своей камеры, то могут начаться дополнительные химические реакции. Они снижают емкость и увеличивают выделение тепла, что может обернуться пожаром или даже взрывом.
Многие батареи электромобилей используют катоды с высоким содержанием никеля, поскольку этот металл позволяет большему количеству лития перемещаться внутрь и наружу для более высокой емкости хранения энергии. Однако при высоком напряжении кислородные связи в конструкции слабнут, что повышает риск появления трещин.
Часто катоды трескаются в местах соприкосновения соседних кристаллических зерен, поэтому некоторые производители переходят на монокристаллические конструкции, где слабых мест должно быть меньше.
Команда под руководством доктора Цзин Ван команда сравнила традиционные поликристаллические материалы с монокристаллическими конструкциями, чтобы определить, какие модели внутренних напряжений лучше всего объясняют преждевременный выход батареи из строя. Они отслеживали крошечные изменения межатомного расстояния и выявляли места, где появление трещин наиболее вероятно.
Исследование показало, что в старых катодах частицы могут увеличиваться в объеме примерно на 5–10 процентов, и эти колебания объема указывали на риск образования трещин. Некоторые монокристаллические частицы демонстрируют схожее общее расширение, но при этом испытывают гораздо большее локальное напряжение, поскольку разные области реагируют с разной скоростью.
Исследования показывают, что балансировка химического состава для предотвращения неравномерного внутреннего напряжения может помочь избежать образования неактивных областей, сокращающих срок службы батареи. Для этого нужно найти новые материалы для производства катодов.
Ранее писали, что новые литий-воздушные аккумуляторы удвоят запас хода электромобилей и приблизят их к бензиновым. Ученые добились значительно успеха с помощью специальной мембраны.
