![]() |
Первое поколение литий-ионных аккумуляторов для электромобилей стало замечательной историей успеха. Тем не менее, возникает вопрос: какие изменения в материалах аккумуляторов приведут к дальнейшему прогрессу в увеличении дальности хода транспорта и снижении стоимости? Улучшенный положительный электрод, или катод, для литий-ионных батарей был в центре внимания интенсивных исследований в прошлом. Катод — один из основных компонентов аккумуляторов. Несколько кандидатов в катодные материалы открывают перспективы создания батарей с гораздо более высоким запасом энергии, что позволяет увеличить дальность поездки. Однако емкость, или количество тока, вытекающего за определенное время, по неизвестным причинам имеет тенденцию быстро снижаться при циклическом заряде-разряде.
Исследователи Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) обнаружили основную причину того, почему и как один из наиболее перспективных катодных материалов деградирует при использовании. Этот материал представляет собой оксид никель-марганец-кобальт (NMC) лития, богатый никелем и имеющий форму отдельных наноразмерных кристаллов. В монокристаллах все атомы расположены в одном и том же высокоупорядоченном порядке.
Обычно богатый никелем катод NMC состоит из частиц нескольких кристаллических форм, или поликристаллов, случайно ориентированных друг относительно друга. Однако при циклическом заряде-разряде эти кластеры растрескиваются по границам между кристаллами, и емкость катода быстро падает. Была выдвинута гипотеза, что изготовление катода с монокристаллами вместо поликристаллов решит проблему растрескивания, так как границы будут устранены. Однако даже монокристаллические катоды преждевременно выходили из строя, оставляя ученых в недоумении. Чтобы раскрыть механизм, команда разработала новаторский метод, сочетающий многомасштабную рентгеновскую дифракцию и электронную микроскопию высокого разрешения. Анализ материалов проводился на Усовершенствованном фотонном источнике (APS) в Аргонне, Национальном источнике синхротронного излучения в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики и в Центре наноразмерных материалов (CNM) Аргонна. Все три центра являются пользовательскими объектами Управления по науке Министерства энергетики.
Атомы в монокристаллах расположены в аккуратных упорядоченных рядах и столбцах, называемых решетками. Многогранный анализ монокристаллических катодов, проведенный командой, позволил получить важнейшую информацию об изменениях в решетке при заряде и разряде. Как объяснили Лю и Чжоу, введение заряда вызывает деформацию решетки, которая заставляет ее расширяться и вращаться, нарушая аккуратный порядок расположения атомов. После разряда решетка сжимается до исходного состояния, но вращение сохраняется. При повторных циклах заряда-разряда вращение становится более выраженным. Это изменение в структуре катода приводит к резкому падению производительности. Решающее значение для получения этих данных имели измерения с помощью рентгеновского нанозонда Hard X-ray Nanoprobe, работающего совместно с CNM и APS.
«Наш метод также может быть полезен для понимания механизмов разрушения других типов батарей, помимо современных литий-ионных», — добавил Лю. Исследование опубликовано в журнале Science. 17.06.2024 |
Энергия
![]() | |
Разгадана тайна снижения производительности перспективного катодного материала | |
Первое поколение литий-ионных аккумуляторов дл... |
![]() | |
NatMat: Ученые из университета Райса нашли отличную альтернативу ферроэлектрикам | |
Зажечь газовый гриль, воспользоваться ультразв... |
![]() | |
Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20% | |
Группа исследователей впервые продемонстрирова... |
![]() | |
JRSNZ: Ветряные электростанции могут компенсировать выбросы за 2 года | |
Ветряная электростанция, проработав менее двух... |
![]() | |
EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент | |
Не зря авиакомпании не разрешают сда... |
![]() | |
Инженеры создают более выгодную сеть для распределения солнечной энергии | |
Если вы являетесь Независимым системным о... |
![]() | |
NatComm: Машинное обучение поможет создать вертикально-осевые ветряные турбины | |
Исследователи EPFL использовали алгоритм генет... |
![]() | |
ChemM: Открыты новые материалы для безопасных и высокопроизводительных батарей | |
Полностью твердотельные литий-ионные батареи с... |
![]() | |
Chem: Имплантируемые батареи могут работать на собственном кислороде организма | |
Имплантируемые медицинские устройства &md... |
![]() | |
Новый реактор сэкономит миллионы при производстве пластиков и резины из газа | |
Новый способ получения важного ингредиента для... |
![]() | |
Рост эффективности бифункциональных катализаторов удешевит производства водорода | |
Ученые преодолели ограничения долговечности би... |
![]() | |
P2P обмен энергией между домохозяйствами снижает зависимость от поставщиков | |
Наши энергетические системы быстро изменяются.... |
![]() | |
Ученые исследуют поглощение и потерю водорода из катодов Li-Ion аккумуляторов | |
Литий-ионные аккумуляторы являются одной из&nb... |
![]() | |
Ученые впервые увидели, как молекулы воды ведут себя у металлического электрода | |
Совместная группа экспериментальных и выч... |
![]() | |
Созданы стратегии ограничения саморазряда суперконденсаторов на основе углерода | |
Эффективное хранение чистой энергии &mdas... |
![]() | |
Ученые предложили собирать воду из воздуха с помощью солнечной энергии | |
В настоящее время более 2,2 миллиарда человек ... |
![]() | |
EMD: Ученые изготовили эффективные органические катоды для цинк-ионных батарей | |
Цинк — дешевый, распространенный, э... |
![]() | |
ТПУ: Высокоэнтропийные сплавы позволят создать мембраны для очистки водорода | |
Ученые Томского политеха создали систему матем... |
![]() | |
Nature Physics: Открыта новая система управления хаотическим поведением света | |
Использование света и управление им ... |
![]() | |
Открыт потенциально более дешевый и холодный способ транспортировки водорода | |
В рамках усилий по отказу от ископае... |
![]() | |
Разработан новый метод создания стабильных и эффективных солнечных элементов | |
Солнечные материалы нового поколения дешевле и... |
![]() | |
Acta Astronautica: В открытом космосе можно построить солнечные фермы | |
Согласно результатам нового исследования, пров... |
![]() | |
Новый катализатор может обеспечить жидкое водородное топливо будущего | |
Исследователи из Лундского университета, ... |
![]() | |
Перовскитовые ячейки — новое решение для повышения эффективности солнечных панелей | |
Солнечные элементы на основе перовскита, ... |
![]() | |
Новая анионообменная мембрана станет ключевым компонентом топливных элементов | |
Анионообменные мембранные топливные элементы п... |
![]() | |
Применение шарового размола улучшит характеристики литий-ионных аккумуляторов | |
Более дешевые и эффективные литий-ионные ... |
![]() | |
Кремний может стать альтернативой графитовым анодам в литий-ионных аккумуляторах | |
В новаторском обзоре, опубликованном в жу... |
![]() | |
Joule: Ученые успешно испытали тандем перовскита и кремния в солнечных батареях | |
Несмотря на то, что традиционные сол... |
![]() | |
Ученые разработали электролизное устройство для превращения CO2 в пропан | |
В недавно опубликованной в журнале Nature... |
![]() | |
E&ES: Новый электролит предотвращает возгорание и тепловой выброс в аккумуляторах | |
Йонг-Джин Ким и Джайеон Бэк из&... |