Литиевые аккумуляторные батареи питают большинство электрических транспортных средств, поскольку обладают высокой плотностью энергии. Однако требования к дальности хода электромобилей возрастают, что заставляет производителей совершенствовать существующие аккумуляторные химсоставы, а также создавать новые.
Исследователи из Кембриджского университета обнаружили, что производительность литиевых аккумуляторов с химсоставом NMC может снижаться из-за неравномерного движения ионов лития. Ученые наблюдали в режиме реального времени за распределением ионов внутри катодного материала литий-никель-кобальт-оксидных аккумуляторов. Полученные данные помогут улучшить химические составы для литиевых батарей нового поколения.
Изучение процессов внутри NMC аккумуляторов
Одним из перспективных материалов для положительных электродов считается смесь оксидов лития, никеля, марганца и кобальта (Li—NMC). Считалось, что ионы лития накапливаются одинаково в каждой активной частице катода. Однако исследование показало, что накопление происходит неравномерно в течение цикла зарядки-разрядки.
Ученые отслеживали под микроскопом, как свет взаимодействует с активными частицами во время работы литий-никель-кобальт-оксидного аккумулятора. В конце цикла зарядки поверхность активного материала насыщалась литием, в то время как внутри испытывался его дефицит. Такое явление приводит к снижению емкости и производительности аккумулятора.
Причина неравномерного распределения ионов
Объединив экспериментальные наблюдения с компьютерным моделированием, исследователи обнаружили, что причина неравномерного распределения ионов кроется в резком изменении скорости диффузии. В частности, ионы лития медленнее проникали в полностью насыщенный литием материал NMC, но диффузия значительно усиливалась, если частицы материала утрачивали некоторое количество ионов лития.
Неоднородность распределения лития в конце разрядки считается одной из причин того, что катоды NMC способны терять до 10% емкости после первого цикла заряда-разряда. В настоящее время ученые ищут способы увеличить плотность энергии и срок службы этих перспективных аккумуляторов для электрического транспорта.
Исследование аккумуляторов проводилось сотрудниками химического факультета имени Юсуфа Хамида в Кембриджском университете и профинансировано Институтом Фарадея. Результаты исследования опубликованы в журнале Joule.