Об этом сообщила пресс-служба Сколтеха, входящего в группу ВЭБ.РФ. Статья размещена в журнале Measurement.
В результате удалось выявить химические изменения, которые делают батареи более хрупкими.
Старший научный сотрудник Сколтеха Е. Статник пояснил, что такие испытания были проведены впервые. Специалисты смогли количественно оценить изменение механических свойств катодного материала в режиме реального времени. Катод утратил способность к пластической деформации под механической нагрузкой. Из-за этого резко вырос риск растрескивания частиц и разрушения всей структуры при эксплуатации выше 4,2 В.
Механическая деградация литий-ионных аккумуляторов
При зарядке и разрядке ионы лития перемещаются между электродами, встраиваясь в кристаллическую решётку катода и анода. Вследствие этого частицы активного материала меняют объём: при зарядке они сжимаются, при разрядке - расширяются. Деформация обычно неравномерная, кристаллы деформируются в разных направлениях. Чистая анизотропия. На стыках кристаллов возникают разнонаправленные силы и локальное давление. При многократном повторении на границах зёрен (кристаллов) появляются микротрещины.Отсюда - разрыв электрического контакта, проникновение электролита, ускоренный саморазогрев и падение мощности.
Ранее для изучения этого процесса инженерам приходилось разбирать батареи и высушивать их. Такой подход существенно искажал реальную картину деградации катода и создавал искусственные дефекты.
Решение
Директор центра энергетических технологий Сколтеха А. Абакумов сообщил, что исследователям удалось обойти фундаментальное ограничение герметичности современных аккумуляторов. Для этого был создан оригинальный дизайн дисковой ячейки формата CR2032 со специальным окном доступа. Это окно позволяет контролировать электрические параметры аккумулятора (напряжение, ток) и проводить наноиндентирование катода алмазным зондом прямо в момент протекания электрохимических реакций. Использовался плоский алмазный наконечник (а не стандартный острый пирамидальный) - это позволило распределить нагрузку равномерно по поверхности пористого электрода и получить усреднённые данные на мезоуровне, учитывающие влияние полимерного связующего, углеродных добавок и жидкого электролита.Наноиндентирование - испытание материала методом индентирования - вдавливания в поверхность образца специального инструмента - индентора. Позволяет измерить механические свойства материала: твёрдость, модуль упругости, пластические и реологические свойства.
Эта установка помогла им последовательно отследить изменения упругости и твердости на четырех ключевых этапах фазовых превращений катода (материал NMC811) при высоком напряжении. Эти замеры позволили раскрыть ряд химических превращений в рамках одной из высоковольтных фаз катода, H3. Твёрдость и модуль упругости катода оставались практически неизменными на протяжении всего цикла зарядки-разрядки, работа пластической деформации при переходе в высоковольтную фазу H3 резко снижалась - на 28%. То есть материал становился хрупким, и резко возрастал риск растрескивания частиц при работе выше 4,2 В.
Официоз
Профессор Сколтеха А. Корсунский поведал, что точные количественные данные о потере пластичности катода позволят инженерам более реалистично прогнозировать эволюцию внутренних напряжений и распространение трещин. В конечном счете это станет надежной диагностической основой для оптимизации безопасных окон эксплуатации. Это также поможет производителям целенаправленно конструировать механически устойчивые батареи высокой плотности энергии.Литий-ионные аккумуляторы широко применяются в портативной электронике, электротранспорте и системах накопления энергии. Повышение верхней границы рабочего напряжения увеличивает плотность энергии, но одновременно усиливает нагрузки на материалы катода. Поэтому понимание механизмов деградации важно для безопасности и срока службы таких батарей.
Автор: А. Шевченко
