Повышение безопасности литий-ионных аккумуляторов с высокой энергетической плотностью
Недавно появились результаты новых исследований о процессе выделения кислорода в литий-ионных аккумуляторах с высокой энергетической плотностью. Эти аккумуляторные батареи нового поколения позволяют накапливать больше электрической энергии и вносят свой вклад в устойчивое развитие и достижение «углеродной нейтральности». Однако, чем больше энергетическая плотность аккумулятора, тем выше вероятность его перегрева (теплового разгона), что может привести к воспламенению и взрыву.
Фото: Такаши Накамура
Кислород, который выделяется из активного материала катода, становится триггером теплового разгона. И об этом процессе специалистам пока известно довольно мало. Поэтому специалисты из Университета Тохоку и Японского научно-исследовательского института синхротронного излучения (JASRI) изучали процесс выделения кислорода и происходящие структурные изменения катодного материала. Исследование делалось на образцах литий-ионных аккумуляторов LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (NCM111). NCM111 играл роль модельного материала батарея на основе оксида. Наблюдение за происходящими процессами выполнялась посредством кулонометрического титрования и дифракции рентгеновских лучей.
Исследователи обнаружили, что NCM111 допускает выделение 5 мол.% кислорода без разложения. При этом происходит структурная разупорядочивание и обмен Li и Ni. Высвобождение кислорода восстанавливает переходные металлы (Ni, Co, Mn в NCM111), что снижает их способность сохранять сбалансированный заряд.
Для наблюдения за процессом группа исследователей применяла мягкую рентгеновскую абсорбционную спектроскопию на BL27SU SPring-8 (крупномасштабная установка синхротронного излучения в JASRI). На начальной стадии выделения кислорода ученые наблюдали избирательное восстановление Ni3+ в NCM111. После того, как заканчивалась восстановление Ni, содержание Co3+ снижалось. При этом содержание Mn4+ оставалось неизменным в течение выделения кислорода в объёме 5 мол. %.
Соавтор исследования Такаши Накамура (Takashi Nakamura) сказал, что при восстановлении высоковалентный никель (Ni3+) существенно увеличивает выделение кислорода. Чтобы проверить эту гипотезу Накамура с коллегами подготовили модифицированный материал NCM111, который содержал больше Ni3+, чем исходный образец. На нём они обнаружили, что материал выделяет значительно более тяжёлый кислород, чем они ожидали.
Основываясь на результатах исследования, учёные предположили, что переходные металлы с высокой валентностью дестабилизирует кислород в кристаллической решетке материалов на основе оксидов. Накамура уверен, что полученные результаты поспособствуют дальнейшему развитию надёжных аккумуляторов будущего поколения с высокой энергетической плотностью.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
