Исследователи из Сколтеха, Московского государственного университета (МГУ) и Исследовательского центра IDEA разработали метод изучения механической деградации литий-ионных аккумуляторов прямо в процессе работы. Они создали модифицированную ячейку с окном доступа и использовали плоский алмазный наконечник. Так удалось впервые в реальном времени зафиксировать, как химические изменения внутри батареи приводят к охрупчиванию ее элементов, сообщили в пресс-службе Сколтеха.
Катодные материалы с высоким содержанием никеля (NMC811) — один из главных кандидатов для мощных аккумуляторов. Но при зарядке и разрядке частицы меняют объем и форму, что ведет к микротрещинам. Раньше инженеры разбирали и высушивали батареи для анализа, но это искажало реальную картину и создавало искусственные дефекты.
Мы впервые провели такого рода испытания и смогли количественно оценить изменения механических свойств катодного материала в режиме реального времени при электрохимическом циклировании. В то время как твердость и модуль упругости катода оставались практически неизменными на протяжении всего цикла зарядки-разрядки, работа пластической деформации при переходе в высоковольтную фазу H3 резко снижалась — на 28%. Катодный материал не становился мягче, он терял способность пластически деформироваться под механической нагрузкой, из-за чего резко возрос риск растрескивания частиц и разрушения всей структуры при работе выше 4,2 вольт.
Вместо стандартного острого наконечника исследователи применили плоский цилиндрический индентор. Это позволило равномерно распределить нагрузку по поверхности пористого электрода и получить усредненные данные с учетом полимерного связующего, углеродных добавок и жидкого электролита.
Нам удалось обойти фундаментальное ограничение герметичности современных аккумуляторов, создав оригинальный дизайн дисковой ячейки формата CR2032 со специальным окном доступа. Это позволило одновременно контролировать электрические параметры аккумулятора и проводить наноиндентирование, то есть буквально «прощупывать» механический отклик композитного катода алмазным зондом прямо в момент протекания электрохимических реакций.
Точные данные о потере пластичности катода помогут инженерам прогнозировать внутренние напряжения и распространение трещин. В перспективе это позволит производителям конструировать механически устойчивые батареи высокой плотности энергии и оптимизировать безопасные режимы эксплуатации. Результаты опубликованы в журнале Measurement, работа поддержана грантом РНФ.
Ранее Наука Mail писала о том, что распределение изотопов раскрыло секреты старения литий-ионных батарей.