Розкрито багаторічну таємницю літій-іонних батарей: як інженери скоро їх поліпшать

У США знайшли причину швидкої деградації перспективного матеріалу і скоро планують робити вдосконалені акумулятори для смартфонів та електромобілів.

Дослідники з Техаського університету в Далласі (США) знайшли спосіб продовжити термін служби літій-іонних акумуляторів. Подробиці оприлюднили на сайті установи.

Оксид літію-нікелю (LiNiO2) — це новий матеріал з високим потенціалом для живлення літій-іонних акумуляторів наступного покоління з більш тривалим терміном служби. Довгий час його не могли впровадити в комерційні батареї через швидку деградацію після багаторазового заряджання. До речі, у США нещодавно придумали нікель-водневі батареї, які також мають великі перспективи.

Команда з Техаського університету визначила причину цієї деградації і вже тестують рішення, яке може її усунути. Якщо робота виявиться успішною, то на ринку можуть з'явитися поліпшені акумулятори. Спочатку вчені збираються виготовити прототип у лабораторних умовах, а потім спільно з галузевим партнером зайнятися комерціалізацією технології.

"Тепер, коли у нас є чітке розуміння того, чому це відбувається, ми працюємо над рішенням, щоб цю технологію можна було використати для забезпечення більш тривалого терміну служби акумуляторів у низці продуктів, включно з телефонами та електромобілями", — прокоментував доктор Кендже Чо.

Щоб визначити, чому батареї на базі оксиду літій-нікелю виходять з ладу під час останньої фази зарядки, фахівці проаналізували процес за допомогою комп'ютерного моделювання. Вони вивчили, як відбуваються хімічні реакції та перерозподіл електронів на атомному рівні.

У літій-іонних акумуляторах електричний струм тече з провідника, званого катодом, який є позитивним електродом, в анод, негативний електрод. Анод зазвичай виготовляється з вуглецевого графіту, який утримує літій за більш високого потенціалу.

Під час розряду іони літію повертаються до катода через електроліт і відправляють електрони назад у літійвмісний катод як електрохімічну реакцію, яка генерує електрику. Катоди зазвичай виготовляють із суміші матеріалів, що містить кобальт, дорогий і рідкісний метал, який вчені прагнуть замінити альтернативами, включно з оксидом літію-нікелю.

Виявилося, що хімічна реакція за участю атомів кисню роблять оксид літій-нікелю нестабільним, тому він тріскається. На думку вчених, цьому можна запобігти, зміцнивши матеріал шляхом додавання позитивно зарядженого іона або катіона. Таким чином у батареї мають утворитися "стовпи" для підтримки катода.

Метью Бергшнайдер, докторант з матеріалознавства та інжинірингу і перший автор дослідження, створив робототехнічну лабораторію для виробництва прототипів акумуляторів з метою вивчення високопродуктивних процесів синтезу розроблених стовпчастих катодів LiNiO2. Роботизовані функції допоможуть у синтезі, оцінці та характеристиці матеріалів.

"Спочатку ми зробимо невелику кількість і вдосконалимо процес. Потім розширимо масштаби синтезу матеріалів і вироблятимемо сотні батарей на тиждень на об'єкті BEACONS. Усе це — сходинки до комерціалізації", — заявив Метью Бергшнайдер.

BEACONS — це ініціатива Міністерства оборони США, яке виділило Техаському університету 30 мільйонів доларів на дослідження для продовження терміну служби акумуляторів.