Прорывное исследование преодолевает главное препятствие на пути к созданию более долговечных литий-ионных аккумуляторов для электромобилей:
Исследователи Техасского университета в Далласе определили основную причину деградации литий-никелевых оксидных (LiNiO₂) аккумуляторов. Этот прорыв может раскрыть потенциал этого многообещающего материала для более долговечных литий-ионных аккумуляторов для электромобилей (ЭМ), систем хранения энергии и других электронных приборов.
Исследование, опубликованное в журнале Advanced Energy Materials, показывает, почему LiNiO₂, несмотря на свое раннее открытие в 1950-х годах и последующее признание в качестве желательного катодного материала, столкнулся с трудностями при коммерциализации из-за деградации после многократных циклов зарядки.
Раскрытие полного потенциала литий-ионных аккумуляторов
LiNiO₂ появился как привлекательная альтернатива традиционным катодным материалам всего пару десятилетий назад. Однако его широкому распространению препятствует присущая ему структурная нестабильность. В литий-ионных аккумуляторах быстрое снижение емкости происходит во время циклирования из-за необратимых фазовых переходов, смешивания катионов и потери кислорода, особенно при высоких напряжениях. Это в конечном итоге ограничивает его срок службы и коммерческую жизнеспособность для приложений с высокой плотностью энергии.
Чтобы справиться с этой проблемой, исследователи из Техасского университета в Далласе использовали вычислительное моделирование для анализа процессов на атомном уровне, происходящих во время финальной фазы зарядки. Их анализ показал, что химическая реакция с участием атомов кислорода в структуре LiNiO₂ приводит к тому, что материал становится нестабильным и трескается.
Используя это новое понимание, группа разработала теоретическое решение: укрепление катода LiNiO₂ путем введения положительно заряженного иона, или катиона, для формирования «столпов», которые укрепляют материал и препятствуют его деградации.
«Деградация аккумуляторов, изготовленных с использованием LiNiO₂, была проблемой на протяжении десятилетий, но причина не была до конца понята», — сказал доктор Кёнджэ Чо, профессор материаловедения и инженерии и директор программы BEACONS в Техасском университете в Далласе. «Теперь, когда у нас есть четкое понимание того, почему это происходит, мы работаем над решением, чтобы эту технологию можно было использовать для обеспечения более длительного срока службы аккумуляторов в ряде продуктов, включая телефоны и электромобили».
Будущие последствия и возможности
Это исследование является частью инициативы BEACONS, запущенной в 2023 году, которая направлена на разработку и коммерциализацию новых технологий и производственных процессов аккумуляторов, повышение доступности критически важных сырьевых материалов на внутреннем рынке и подготовку квалифицированной рабочей силы для расширяющегося сектора хранения энергии аккумуляторов . Инициатива направлена на ускорение перехода от лабораторных экспериментов к полномасштабному производству в сотрудничестве с отраслевыми партнерами.
Мэтью Бергшнайдер, докторант по материаловедению и инжинирингу и первый автор исследования, создает лабораторию на основе робототехники для производства прототипов аккумуляторов. «Сначала мы сделаем небольшое количество и усовершенствуем процесс», — сказал Бергшнайдер. «Затем мы увеличим масштаб синтеза материалов и будем производить сотни аккумуляторов в неделю на объекте BEACONS. Все это — ступеньки к коммерциализации».
Работа группы ученых из Техасского университета в Далласе, направленная на решение основных проблем деградации LiNiO₂, возникающих из-за необратимых фазовых переходов, смешивания катионов и потери кислорода, представляет собой значительный шаг вперед на пути к преодолению одного из ключевых препятствий на пути к повышению производительности литий-ионных аккумуляторов следующего поколения .
С учетом планов по началу лабораторного производства и возможного сотрудничества с отраслевым партнером эта разработка может проложить путь к созданию более долговечных и высокопроизводительных аккумуляторов для различных потребительских и промышленных применений.
Читайте нашу главную страницу — Взгляд в будущее, Инновации, Технологии, Наука, Новые открытия, Изобретения