Исследователи нашли новый способ преодолеть снижение производительности катодов батарей

Исследователи открывают новый путь для преодоления снижения производительности, которое происходит из-за повторяющихся циклов зарядки-разрядки катодов аккумуляторов следующего поколения.

Транспортные средства, работающие от аккумуляторов, сильно повлияли на транспортный рынок. Но этому рынку по-прежнему нужны недорогие аккумуляторы, способные питать транспортные средства с большим запасом хода. Также желательны недорогие батареи, способные накапливать в сети прерывистую чистую энергию от солнечных и ветровых технологий и питать сотни тысяч домов.

Чтобы удовлетворить эти потребности, исследователи по всему миру спешат разработать батареи, превосходящие текущий стандарт литий-ионных материалов. Одним из наиболее перспективных кандидатов является натрий-ионный аккумулятор. Он особенно привлекателен из-за большей распространенности и более низкой стоимости натрия по сравнению с литием. Более того, при работе под высоким напряжением (4,5 вольта) натрий-ионная батарея может значительно увеличить количество энергии, которое может храниться при заданном весе или объеме. Однако довольно быстрое снижение производительности при циклическом заряде-разряде препятствует коммерциализации.

Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) обнаружили ключевую причину ухудшения характеристик: появление дефектов в атомной структуре, которые образуются на этапах подготовки материала катода. Эти дефекты в конечном итоге приводят к структурному землетрясению в катоде, что приводит к катастрофическому снижению производительности во время циклов работы батареи. Вооружившись этими знаниями, разработчики аккумуляторов теперь смогут регулировать условия синтеза для изготовления гораздо более совершенных катодов на основе ионов натрия.

Ключом к совершению этого открытия стало то, что команда полагалась на научные возможности мирового класса, доступные в Аргоннском центре наноразмерных материалов (CNM) и Advanced Photon Source (APS), оба из которых являются пользовательскими объектами Управления науки Министерства энергетики США.

«Эти возможности позволили нам отслеживать изменения в атомной структуре катодного материала в режиме реального времени во время его синтеза», — сказал Гуйлян Сюй, помощник химика в Аргоннском подразделении химических наук и инженерии.

Во время синтеза катода производители материалов медленно нагревают катодную смесь до очень высокой температуры на воздухе, выдерживают ее там в течение определенного времени, а затем быстро снижают температуру до комнатной температуры.

Похожие истории
Графеновые батареи в электромобилях
Новое семейство катодов демонстрирует потенциал для замены катодов на основе кобальта в литий-ионных батареях
В погоне за COVID-19: ученые CSIRO нашли быстрый и дешевый способ обнаружения вспышек в наших сточных водах
«Увидеть — значит поверить», — сказал Юзи Лю, наноученый из CNM. « Благодаря научному оборудованию Аргонны мирового класса нам не нужно гадать, что происходит во время синтеза». С этой целью группа использовала просвечивающий электронный микроскоп в CNM и синхротронные рентгеновские лучи в APS (на линиях 11-ID-C и 20-BM).

Их данные показали, что при быстром падении температуры во время синтеза материала поверхность частиц катода стала менее гладкой и имела большие участки, указывающие на деформацию. Данные также показали, что во время циклирования катода в этих областях возникает двухтактный эффект, вызывающий растрескивание катодных частиц и снижение производительности.

При дальнейшем исследовании команда обнаружила, что эта деградация усиливалась при циклировании катодов при высокой температуре (130 градусов по Фаренгейту) или при быстрой зарядке (один час вместо 10 часов).

«Наши идеи чрезвычайно важны для крупномасштабного производства улучшенных катодов с ионами натрия», — отметил Халил Амин, почетный научный сотрудник Аргонны. «Из-за большого количества материала, скажем, 1000 кг, будут большие колебания температуры, что приведет к образованию множества дефектов, если не будут приняты соответствующие меры».

Более ранние исследования членов группы привели к значительному улучшению анода. «Теперь мы должны быть в состоянии согласовать наш улучшенный катод с анодом, чтобы добиться повышения производительности на 20–40%», — сказал Сюй.  «Также важно, что такие батареи сохранят свои характеристики при длительном циклировании при высоком напряжении».

Воздействие может привести к увеличению дальности пробега более доступных электромобилей и снижению стоимости хранения энергии в электрической сети.