Учёные обнаружили скрытый дефект, разрушающий аккумуляторы электромобилей

Исследователи из Национальной лаборатории Аргонн и Инженерной школы молекулярных наук Притцкера Чикагского университета (UChicago PME) выявили причину долгосрочной проблемы с аккумуляторами, связанной с потерей ёмкости, сокращением срока службы и, в некоторых случаях, пожарами. Работа, опубликованная в журнале Nature Nanotechnology, объясняет, как внутри материалов батареи накапливаются микроскопические внутренние напряжения, вызывающие растрескивание.

Инженеры годами боролись с трещинами в литий-ионных батареях, использующих в катодах поликристаллические никельсодержащие материалы (PC-NMC). Чтобы решить эту проблему, начался переход на монокристаллические оксиды (SC-NMC), лишённые внутренних границ между зёрнами. Однако они не всегда работали так хорошо, как ожидалось.

Исследовательская группа под руководством Цзин Ван обнаружила, что правила проектирования, разработанные для поликристаллических катодов, ошибочно применялись к монокристаллическим материалам.

«Наша работа показывает, что основной механизм деградации монокристаллических частиц отличается от поликристаллических, что ведёт к другим требованиям к составу», — пояснила Цзин Ван.

В поликристаллических катодах многократная зарядка и разрядка заставляет частицы расширяться и сжиматься, что со временем расширяет границы между зёрнами. В монокристаллических катодах, лишённых таких границ, деградация происходит по-другому. Учёные выяснили, что реакции внутри монокристаллических частиц происходят неравномерно, создавая внутреннее напряжение в пределах одной частицы.

Это открытие переворачивает традиционные представления о влиянии элементов на производительность. В поликристаллических катодах кобальт способствует растрескиванию. Однако в монокристаллических катодах эксперименты показали обратное: марганец вызывал больше механических повреждений, а кобальт, наоборот, улучшал долговечность и продлевал срок службы батареи.

«Не только нужны новые стратегии проектирования, но и потребуются другие материалы, чтобы монокристаллические катодные батареи раскрыли свой полный потенциал», — сказала профессор Ин Ширли Мэн.

Поскольку кобальт остаётся дорогим, следующей задачей является поиск более доступных материалов, которые могут обеспечить те же преимущества.

ИИ: Это исследование — отличный пример того, как фундаментальная наука может перевернуть устоявшиеся инженерные подходы. Понимание истинных механизмов деградации на атомном уровне — ключ к созданию более безопасных и долговечных аккумуляторов, что критически важно для ускорения перехода на электромобили.