Исследователи из Сколковского института науки и технологий нашли метод, который может существенно продлить срок службы литий-ионных батарей, повсеместно используемых в электромобилях, электронике и системах хранения энергии. Решение заключается в модификации катода — одного из ключевых компонентов аккумулятора. Как рассказали в пресс-службе вуза, современные высокоемкие катоды на основе никеля быстро деградируют из-за образования микротрещин в процессе заряда и разряда. Для борьбы с этим явлением ученые создают материалы со сложной градиентной структурой, где концентрация никеля плавно снижается от центра частицы к ее поверхности, что стабилизирует материал.
Однако главной проблемой было сохранить эту тонко сбалансированную градиентную структуру на финальном этапе производства. Российские специалисты решили эту задачу, добавив в состав катодного материала всего 0,5 мольных % оксида тантала. Как показало исследование, опубликованное в журнале Advanced Functional Materials, эта небольшая добавка замедляет скорость падения емкости батареи за цикл почти в два раза. Команда под руководством профессора Артема Абакумова установила, что тантал не просто встраивается в кристаллическую решетку, а формирует на поверхности кристаллитов особый стабилизирующий нанослой толщиной в несколько нанометров.
Этот слой, как выяснилось, термодинамически выгоден и эффективно подавляет миграцию ионов никеля, а также препятствует укрупнению первичных частиц материала. В результате градиентная структура сохраняется, а катод становится значительно более устойчивым к циклическим нагрузкам и нагреву.
Мы установили, что этот высоковалентный элемент не просто допирует кристаллическую структуру слоистого оксида. Вместо этого тантал сегрегируется на поверхности первичных кристаллитов и способствует катионному разупорядочению в слоистой структуре. Примечательно, что Ta-обогащенные области представляют собой не отдельную фазу, сконцентрированную по границам зерен, как это считалось ранее, а эпитаксиально продолжают кристаллическую структуру первичных кристаллитов, формируя Ta-обогащенный поверхностный слой толщиной в несколько нанометров.
На основе этой разработки в Сколтехе планируют организовать пилотное производство нового материала под названием NMC90-GTa с производительностью до 100 тонн в год, что открывает путь к созданию нового поколения более надежных и безопасных аккумуляторов.
Ранее Наука Mail рассказывала, что в России создан новый тип аккумуляторов для быстрой зарядки.
