Раскрыта многолетняя тайна литий-ионных батарей: как инженеры скоро их улучшат

Исследователи из Техасского университета в Далласе (США) нашли способ продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов. Подробности обнародовали на сайте учреждения.

Оксид лития-никеля (LiNiO2) — это новый материал с высоким потенциалом для питания литий-ионных аккумуляторов следующего поколения с более длительным сроком службы. Долгое время его не могли внедрить в коммерческие батареи из-за быстрой деградации после многократной зарядки. Кстати, в США недавно придумалиникель-водородные батареи, которые также имеют большие перспективы.

Команда из Техасского университета определила причину этой деградации и уже тестируют решение, которое может ее устранить. Если работа окажется успешной, то на рынке могут появиться улучшенные аккумуляторы. Сначала ученые собираются изготовить прототип в лабораторных условиях, а затем совместно с отраслевым партнером заняться коммерциализацией технологии.

"Теперь, когда у нас есть четкое понимание того, почему это происходит, мы работаем над решением, чтобы эту технологию можно было использовать для обеспечения более длительного срока службы аккумуляторов в ряде продуктов, включая телефоны и электромобили", — прокомментировал доктор Кенджэ Чо.

Чтобы определить, почему батареи на базе оксида литий-никеля выходят из строя во время последней фазы зарядки, специалисты проанализировали процесс с помощью компьютерного моделирования. Они изучили, как происходят химические реакции и перераспределение электронов на атомном уровне.

В литий-ионных аккумуляторах электрический ток течет из проводника, называемого катодом, который является положительным электродом, в анод, отрицательный электрод. Анод обычно изготавливается из углеродного графита, который удерживает литий при более высоком потенциале.

Во время разряда ионы лития возвращаются к катоду через электролит и отправляют электроны обратно в литийсодержащий катод в качестве электрохимической реакции, которая генерирует электричество. Катоды обычно изготавливаются из смеси материалов, включающей кобальт, дорогой и редкий металл, который ученые стремятся заменить альтернативами, включая оксид лития-никеля.

Оказалось, что химическая реакция с участием атомов кислорода делают оксид литий-никеля нестабильным, поэтому он трескается. По мнению ученых, этого можно предотвратить, укрепив материал путем добавления положительно заряженного иона или катиона. Таким образом в батарее должны образоваться "столбы" для поддержки катода.

Мэтью Бергшнайдер, докторант по материаловедению и инжинирингу и первый автор исследования, создал робототехническую лабораторию для производства прототипов аккумуляторов с целью изучения высокопроизводительных процессов синтеза разработанных столбчатых катодов LiNiO 2. Роботизированные функции помогут в синтезе, оценке и характеристике материалов.

"Сначала мы сделаем небольшое количество и усовершенствуем процесс. Затем расширим масштабы синтеза материалов и будем производить сотни батарей в неделю на объекте BEACONS. Все это — ступеньки к коммерциализации", — заявил Мэтью Бергшнайдер.

BEACONS — это инициатива Министерства оборон США, которое выделило Техасскому университету 30 миллионов долларов на исследования для продления срока службы аккумуляторов.