Чтобы проверить, как фосфонитрильный хлорид (PN) улучшает стабильность катодов с высоким содержанием никеля, его добавили в электроды NCM811 (LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂) и NCM90 (LiNi₀.₉Co₀.₀₅Mn₀.₀₅O₂). Оказалось, PN снижает тепловыделение при реакции с электролитом: для NCM811 — на 47,6%, для NCM90 — на 21,4%. Это доказывает, что PN подавляет выделение активного кислорода (O*) из структуры катода.

Когда PN добавили в систему с графитом (LiC₆), тепловыделение упало на 55,8%. А если использовать модифицированный электролит (RCE-DHT), который сам по себе замедляет реакции, то эффект усиливается: тепловой эффект снижается до −406,5 Дж/г.

Результат опубликован в издании Science Bulletin.

Как это работает

PN связывается с никелем в катоде и не дает кислороду из решетки окисляться при нагреве или глубоком разряде. Это значит:

• меньше кислородных вакансий,
• медленнее разрушение слоистой структуры,
• меньше выделяется O*.

Расчеты на основе квантовой химии подтвердили: в PN-модифицированном NCM811 уровень кислорода дальше от зоны реакции, поэтому он менее активен.

Безопасность батарей

Обычный NCM811 при нагреве до 125,9°C резко разогревается до 543,7°C из-за реакций O* с электролитом и графитом. А PN@NCM811 держится до 184,8°C, а пик температуры — всего 319,7°C. Более того, если держать его при 125,9°C 20 минут, тепловой разгон не начинается — значит, кислород почти не выделяется.

Тепловой разгон (TR, thermal runaway) — неконтролируемый нагрев батареи, когда реакции выделения тепла ускоряют сами себя. Сначала разлагается катод, затем электролит, потом анод — итог: пожар или взрыв.

Электрохимические свойства

PN не только делает батареи безопаснее, но и улучшает их характеристики:

• При росте тока от 0,1C до 2C емкость PN@NCM811 остается высокой (371,3 → 327,7 мА·ч/г).
• После 300 циклов на 1C сохраняется 85,4% емкости против 75,7% у обычного NCM811.
• При напряжении 4,6 В после 250 циклов NCM811 деградирует до 60,8%, а PN@NCM811 — до 85,1%. Через 700 циклов — все еще 80%.

Этот метод может:

• Увеличить срок службы батарей для электромобилей.
• Снизить риск возгорания, особенно в жарком климате или при быстрой зарядке.
• Позволить использовать более дешевые высоконикелевые катоды без потери безопасности.

Исследование не проверяет долгосрочное влияние PN на электролит — возможно, добавка ускоряет его разложение после тысяч циклов. Также неясно, как PN поведет себя в промышленных батареях с другими компонентами.

Ранее ученые разработали электролит, который предотвращает возгорание аккумуляторов.