Проблему литий-ионных аккумуляторов помог решить их изобретатель

М. Стэнли Уиттингем (M. Stanley Whittingham) стал в конце 1970-х годов первым, кто описал концепцию перезаряжаемых литий-ионных аккумуляторов. За это достижение он разделил Нобелевскую премию по химии 2019 года. При этом сам изобретатель тогда не предвидел тех сложных материаловедческих проблем, которые возникнут с литий-ионными аккумуляторами батареями, когда они станут источником питания для портативной электроники во всём мире.

Фото: Джилл Хемман / ORNL

Чтобы решить данную проблему, Уиттингем возглавил группу ученых, в которую вошли его коллеги из Государственного университета Нью-Йорка в Бингемтоне (SUNY Binghamton), а также специалисты из Министерства энергетики (DOE) в Брукхейвене (BNL) и Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL). Они использовали нейтроны и рентгеновские лучи для проверки введённого усовершенствования. Оно заключалось в обработке поверхности катода (никель-марганцево-кобальтовый материал под названием NMC 811) оксидом ниобия без лития. Исследование получило название «Какова роль Nb в слоистых оксидных катодах с высоким содержанием никеля для литий-ионных батарей?». Результаты были опубликованы в ACS Energy Letters.

Фото: DOE

Как сказал Уиттингем (заслуженный профессор SUNY и директор Северо-восточного центра хранения химической энергии (NECCES) исследовательского центра Министерства энергетики США), их группа протестировала катод NMC 811 с оксидом ниобия без содержания лития в виде наноразмерного покрытия. Роль этого покрытия заключается в обеспечении проникновения ионов лития в материал катода.

Литий-ионные аккумуляторы имеют катоды, которые состоят из чередующихся слоев лития и оксидных материалов, богатых никелем (химические соединения, которые содержат, по крайней мере, один атом кислорода). Никель является относительно недорогим материалом и обеспечивает более высокую плотность энергии и большую ёмкость при меньших затратах, чем другие металлы, подходящие на эту роль.

Однако никель в катодах введённых километров нестабилен и легко реагирует с другими элементами. В результате, на поверхности катода образуются нежелательные примеси, которые снижают ёмкость аккумулятора на 10─18% при первом цикле заряда-разряда. Кроме того, никель может приводить к нестабильности внутри катодной структуры. Это приводит к дополнительному снижению ёмкости аккумулятора в течение длительного использования.

Фото: DOE

Группа ученых провела исследование дифракции нейтронов на дифрактометре инженерных материалов VULCAN в источнике нейтронов расщепления (SNS) лаборатории ORNL. Это позволило им понять, как ниобий влияет на свойства катодных материалов, богатых никелем. Специалисты получили нейтронограммы чистого NMC 811 и образцов, покрытых оксидом ниобия.

Представитель аккумуляторного предприятия NECCES Хуэй Чжоу (Hui Zhou) отметил, что нейтроны легко проникали в катодный материал. Это позволило лучше понять, где располагаются атомы ниобия и лития, а также весь процесс модификации катода оксидом ниобия. Полученные данные, говорит Хуэй Чжоу, свидетельствует о том, что атомы ниобия стабилизируют поверхность. Это позволяет снизить потери ёмкости при первом цикле заряда-разряда. При более высоких температурах атомы ниобия вытесняют некоторые атомы марганца в глубину материала катода. Это обеспечивает сохранение ёмкости при длительном использовании аккумулятора.

По результатам эксперимента учёные получили подтверждение снижения потерь ёмкости при первом цикле заряда-разряда, а также улучшения сохранения емкости при долгосрочном использовании аккумуляторной батареи (более чем на 93% в течение 250 циклов заряда-разряда). Уиттингем говорит, что улучшения в электрохимических характеристиках системы и структурной стабильности аккумулятора делают систему NMC 811, модифицированной оксидом ниобия, кандидатом в качестве аккумуляторных элементов для использования в электромобилях, где требуется высокая энергетическая плотность. По его словам, сочетание ниобиевого покрытия и замены атомами ниобия атомов марганца может стать распространённым способом для препятствия снижению ёмкости при первом цикле заряд-разряд и снижению её при долгосрочном использовании аккумулятора. При этом, данное нововведение может быть легко интегрировано в уже существующие производственные процессы по выпуску катодов NMC.

Уиттингем добавил, что проведённое исследование поддерживает цели консорциума Battery500 Consortium, а также межведомственной программы, которую возглавляет Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория Департамента энергетики и возобновляемой энергии Министерства энергетики США. В соответствии с этой программой ведутся разработки литий-металлических аккумуляторных элементов будущего поколения, которые обеспечат энергетическую плотность до 500 ватт-часов на килограмм. Среднее значение актуальных сейчас литий-ионных аккумуляторов составляет 220 ватт-часов на килограмм.

Исследование было проведено при поддержке Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США и Управления автомобильных технологий, а также использовались ресурсы Национального синхротронного источника света II (NSLS-II) компании BNL и ORNL. SNS и NSLS-II являются объектами управления науки Министерства энергетики США. Организация UT-Battelle LLC занимается управлением ORNL. Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в сфере физических наук в США и занимается решением некоторых наиболее актуальных проблем современности.