Инженеры из Южной Кореи выяснили, как потеря кислорода влияет на работу перспективных аккумуляторных материалов. Оказалось, что этот процесс не только приводит к изменению внутренней структуры батареи, но и при контролируемом протекании может помочь увеличить ее полезную емкость.
Ученые изучали катодный материал на основе лития и марганца — он рассматривается как один из возможных вариантов для аккумуляторов следующего поколения. Такие материалы привлекают внимание производителей, поскольку позволяют сократить потребность в дорогих никеле и кобальте и потенциально обеспечить примерно на 20% большую энергоемкость по сравнению с традиционными никелевыми катодами.
Однако у этого решения есть проблема: по мере зарядки и разрядки аккумулятора его емкость постепенно снижается, а рабочее напряжение падает. До сих пор исследователи предлагали разные объяснения происходящих внутри материала структурных изменений.
Команда ученых проследила, как меняется катод после сотен циклов зарядки и разрядки. Изначально атомы лития и переходных металлов расположены в упорядоченных слоях. Но со временем часть атомов кислорода покидает материал. Из-за этого атомы лития и металлов начинают перемещаться между слоями, нарушая первоначальную структуру. В итоге упорядоченное строение может перейти в более хаотичную структуру, напоминающую каменную соль.
Исследователи установили, что степень потери кислорода влияет на масштаб этих изменений. Процесс можно регулировать, в частности, меняя напряжение, до которого заряжают аккумулятор: более глубокая зарядка приводит к большей потере кислорода и усиливает перестройку структуры катода.
Неожиданным оказалось то, что структурные изменения не всегда ухудшают характеристики материала. При определенной степени разупорядочения возникают дополнительные пути для перемещения ионов лития. Благодаря этому полезная емкость катода может увеличиваться, несмотря на потерю кислорода.
В испытаниях материал сохранил 98,4% первоначальных характеристик после более чем 200 циклов зарядки и разрядки. Это указывает на перспективность подхода, при котором структурные изменения не пытаются полностью предотвратить, а контролируют их интенсивность.
По словам авторов, полученные результаты помогут точнее управлять свойствами катодов при разработке новых аккумуляторов. В дальнейшем исследователи рассчитывают использовать этот подход для создания материалов, адаптированных к разным условиям эксплуатации.
Результаты пока относятся к лабораторному исследованию катодного материала. Они не означают, что готовые аккумуляторы электромобилей уже научились увеличивать свою емкость с возрастом или что срок службы серийных батарей гарантированно вырастет. Для таких выводов потребуются дополнительные исследования и испытания готовых аккумуляторов.
Читайте также:
«Росатом» представил электрический фургон и кроссовер Voyt на общей платформе