​PNNL разрабатывает монокристаллический катод с высоким содержанием никеля перспективен для литий-ионных батарей нового поколения

-
17:25
16
Администратор

Ученые Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) Министерства энергетики США сообщают о новых открытиях, позволяющих сделать монокристаллический, богатый никелем катод более прочным и эффективным. Работа команды над катодом появилась в журнале Science.

Исследователи работают над способами накопления большей энергии в материалах катода за счет увеличения содержания никеля. Никель обладает относительно низкой стоимостью, широкой доступностью и низкой токсичностью по сравнению с другими ключевыми материалами батарей, такими как кобальт.

Хотя никель является многообещающим материалом, в больших количествах он может создавать проблемы в батареях. Чем больше никеля в решетке материала, тем менее стабилен катод. Высокое содержание никеля может усилить нежелательные побочные реакции, нанося ущерб материалу и делая хранение и обращение с ним очень сложным.

В настоящее время наиболее распространенным катодом с высоким содержанием никеля является поликристалл-агрегат многих нанокристаллов в одной более крупной частице. Они обладают преимуществами для более быстрого хранения и разрядки энергии. Однако иногда поликристаллы разрушаются при многократном цикле.

Это может оставить большую часть поверхности подверженной воздействию электролита, ускоряя нежелательные химические реакции, вызванные высоким содержанием никеля, и выделяя газ. Это необратимое повреждение приводит к тому, что батарея с богатым никелем катодом выходит из строя быстрее и вызывает опасения по поводу безопасности.

Исследователи пытаются обойти многие из этих проблем, создавая монокристаллический, богатый никелем катод. Совокупность мелких кристаллов при определенных условиях гораздо более уязвима для окружающей среды, чем монокристалл, особенно при высоком содержании никеля, так как никель склонен вызывать нежелательные химические реакции.

Со временем, при многократных батарейных циклах, агрегаты в конечном итоге распыляются, разрушая структуру катода. Это не столько проблема, когда количество никеля в катоде меньше; в таких условиях поликристаллический катод, содержащий никель, обладает высокой мощностью и стабильностью. Однако проблема становится более выраженной, когда ученые создают катод с большим содержанием никеля — катод, действительно богатый никелем.

Команда PNNL обнаружила одну причину, по которой ломается монокристаллический катод, богатый никелем: Это связано с процессом, известным как скольжение кристаллов, когда кристалл начинает разламываться, приводя к микротрещинам. Они обнаружили, что при определенных условиях скольжение частично обратимо, и предложили способы полностью избежать повреждения.

Исследователи PNNL разработали процесс выращивания высокоэффективных кристаллов в расплавленных солях — хлорид натрия, обычная настольная соль — при высокой температуре.

Скользящие движения в слоях решетки кристалла находятся в корне микротрещин. Слои движутся туда-сюда, как карты в колоде, когда их перетасовывают. Скольжение происходит по мере того, как батарея заряжается и разряжается — ионы лития уходят и возвращаются в катод, каждый раз так слегка напрягая кристалл. На протяжении многих циклов повторное скольжение приводит к образованию микротрещин.

Команда Сяо узнала, что процесс может частично повернуться вспять благодаря естественным действиям атомов лития, которые создают напряжения в одном направлении, когда ионы входят в кристаллическую решетку, и в противоположном направлении, когда они выходят из кристалла. Но эти два действия не полностью взаимно уничтожают друг друга, и со временем будут возникать микротрещины. Поэтому монокристаллы в конечном итоге терпят неудачу, хотя и не распадаются на мелкие частицы, подобные своим поликристаллическим аналогам.

Команда проводит несколько стратегий для предотвращения скольжения. Исследователи обнаружили, что работа с батареей при обычном напряжении в 4,2 вольта минимизирует повреждение, оставаясь в пределах нормального диапазона литий-ионных батарей для электромобилей. Группа также прогнозирует, что сохранение размера одиночного кристалла ниже 3,5 микрона может избежать повреждений даже при более высоком напряжении. И команда изучает способы стабилизации кристаллической решетки, чтобы лучше приспособиться к приезду и отъезду ионов лития.

По оценкам команды, в монокристаллических катодных батареях, богатых никелем, по крайней мере, на 25% больше энергии, чем в литий-ионных батареях, используемых в современных электромобилях.

В настоящее время исследователи PNNL во главе с Xiao работают с Albemarle Corporation, крупной компанией по производству специализированной химической продукции и одним из ведущих мировых производителей литиевых батарей для электромобилей. В сотрудничестве, финансируемом DOE, группа будет изучать влияние современных солей лития на характеристики монокристаллических катодных материалов, богатых никелем, демонстрируя процесс в килограммовом масштабе.

Эта работа финансировалась Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Управления автомобильных технологий министерства энергетики. Часть исследований была проведена с использованием национального синхротронного источника света II в Брукхейвене.

RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...