Корейские исследователи из Университета науки и технологий Пхохана (POSTECH) изучили механизм деградации (постепенного ухудшения характеристик) катодных материалов на основе марганца. Такие материалы считаются перспективными для батарей следующего поколения электромобилей.

Работу возглавили профессор Чихён Хон с доктором Гукхён Лим и профессор Кю Ён Пак с докторантом Ходжуном Ли. Результаты опубликованы в журнале Energy & Environmental Science.

Автомобильная индустрия ищет недорогие материалы для аккумуляторов, способные конкурировать с дешёвыми литий-железо-фосфатными (LFP) батареями из Китая. Один из главных претендентов - литий-марганцевый слоистый оксид (LMRO). Он требует меньше дорогих никеля и кобальта и запасает примерно на 20% больше энергии, чем обычные никелевые катоды. Однако у LMRO есть серьёзный недостаток: при многократной зарядке и разрядке ёмкость постепенно падает, а рабочее напряжение снижается. Прежние исследования называли разные причины, но единого механизма не было.

Команда проследила, как меняется внутренняя структура катода за сотни циклов. Сначала атомы лития и переходных металлов расположены упорядоченно, слоями. Но при заряде часть атомов кислорода, которые удерживают эту структуру, постепенно уходит из материала. В результате литий и металлы начинают смешиваться, и упорядоченная слоистая структура превращается в неупорядоченную структуру типа "каменная соль" (rocksalt), где атомы уже не следуют прежнему порядку.

Ключевым фактором оказалось количество потерянного кислорода. Учёные показали, что эти потери можно регулировать глубиной заряда: чем выше напряжение зарядки, тем больше кислорода уходит. Накопление таких вакансий (пустых мест) и запускает перестройку структуры.

Самое интересное обнаружилось дальше. Обычно потеря кислорода считается признаком износа. Но когда катод становился неупорядоченным, в нём возникали дополнительные пути для движения ионов лития, и полезная ёмкость росла. Контролируя потерю кислорода и структурные изменения, исследователи добились того, что после более чем 200 циклов зарядки-разрядки катод сохранял 98,4% первоначальной ёмкости.

"С практической точки зрения наша работа показывает, что деградацию батареи можно замедлить и продлить срок службы, просто управляя такими параметрами, как рабочая температура и состояние поверхности", - приводит слова Хона пресс-служба POSTECH. Он также отметил, что, регулируя потерю кислорода и вызывая или подавляя структурный беспорядок, можно проектировать батареи для разных задач.

Соавтор работы профессор Пак добавил, что объединение точных методов анализа материалов с компьютерным моделированием помогло решить проблему, остававшуюся нерешённой почти двадцать лет.

Важно подчеркнуть: речь идёт о лабораторном исследовании механизма, а не о готовом коммерческом продукте. Пока не ясно, как новая стратегия покажет себя в реальных аккумуляторах и при массовом производстве.

Источник: Tech Xplore