LG Energy Solution и Сеульский национальный университет открывают путь к коммерциализации аккумуляторов нового типа — LMR

Компания LG Energy Solution и Сеульский национальный университет разработали ключевую технологию, позволяющую существенно повысить стабильность работы литий-марганцевых аккумуляторов с высоким содержанием марганца (LMR) — перспективной технологии нового поколения. 7 сентября LG Energy Solution представила результаты совместного исследования, проведенного совместно с профессором Чон У Лимом (Jongwoo Lim) и его научной группой с химического факультета Сеульского национального университета.

Результаты работы были опубликованы в авторитетном международном научном журнале Nature Communications; они подтверждают возможность использования LMR-аккумуляторов в крупноформатных ячейках для электромобилей.

Управление обратимостью кислородных реакций позволяет подавить газовыделение — основное препятствие на пути к коммерциализации, — тем самым создавая предпосылки для вывода крупноформатных ячеек на рынок.

Совместная исследовательская группа выявила факторы, способствующие выделению газа и снижению емкости в процессе заряда и разряда LMR-аккумуляторов, а также определила оптимальные условия эксплуатации крупноформатных ячеек, позволяющие минимизировать эти проблемы.

LMR — это катодный материал нового поколения, позволяющий снизить затраты на производство за счет отказа от кобальта и использования более дешевого марганца в качестве основного компонента. Высокая плотность энергии достигается благодаря тому, что накопление энергии происходит с участием как переходных металлов (например, никеля и марганца), так и кислорода, входящего в состав катодного материала.

Однако, если кислород, окислившийся в процессе заряда, не возвращается полностью в исходное состояние при разряде, это может привести к повреждению внутренней структуры аккумулятора и выделению газа. В крупноформатных ячейках для электромобилей, где внутреннее пространство ограничено, это чревато ростом внутреннего давления и ухудшением эксплуатационных характеристик. В связи с этим проблема газовыделения долгое время оставалась главным препятствием для коммерциализации LMR-аккумуляторов.

Исследовательская группа проанализировала процессы окисления-восстановления кислорода при различных режимах заряда и разряда и установила, что степень восстановления кислорода зависит как от верхнего порогового напряжения при заряде, так и от нижнего порогового напряжения при разряде.

В ходе испытаний было выявлено, что снижение верхнего напряжения заряда с 4,6 В до 4,3 В увеличивает долю восстановления окисленного кислорода с 86% до 97%. Кроме того, исследователи подтвердили, что снижение нижнего порогового напряжения разряда со стандартных 3,0 В до 2,0 В позволяет кислороду практически полностью вернуться в исходное состояние.

Опираясь на полученные данные, специалисты LG Energy Solution пересмотрели диапазон рабочих напряжений и условия процесса формирования для крупноформатных LMR-ячеек емкостью 40 А·ч. Для эффективного подавления газовыделения, характерного для крупноформатных ячеек, был применен низкотемпературный процесс формовки.

В результате оптимизированные крупноформатные LMR-ячейки емкостью 40 А·ч сохранили 92,2% от своей первоначальной энергоемкости даже после 883 циклов заряда и разряда. Столь высокая стабильность характеристик в процессе эксплуатации открывает путь к коммерческому внедрению LMR-материалов в крупноформатных ячейках для электромобилей, расширяя сферу их применения за пределы устройств малого формата.

«В ходе исследования были выявлены причины деградации LMR-аккумуляторов с точки зрения обратимости процессов, связанных с кислородом, и было показано, что стабильность ячеек можно повысить исключительно за счет оптимизации электрохимических режимов работы, — отметил профессор Чон У Лим из Сеульского национального университета. — Мы подтвердили, что для обеспечения долгосрочной стабильности LMR-аккумуляторов необходимо учитывать не только условия заряда, но и условия разряда».

«Данное исследование позволяет решить одну из ключевых проблем, с которыми сталкиваются LMR-аккумуляторы, — заявил представитель компании LG Energy Solution. — Оно демонстрирует, что стабильную работу можно обеспечить даже в крупноформатных ячейках за счет эффективного подавления газовыделения, что создает важную основу для развития рынка LMR-аккумуляторов нового поколения».