BAM использует изотопы лития в качестве диагностического инструмента для определения степени старения аккумулятора.
Исследователи Федерального института исследований и тестирования материалов обнаружили, что распределение двух изотопов лития в элементах аккумулятора напрямую связано с процессами разрушения, подобно отпечатку пальца. Это открытие призвано помочь лучше понять механизмы старения батарей.
Символическое изображение: типичная высоковольтная батарея для электромобилей.
Источник изображения: Stellantis
Срок службы литиево-ионных аккумуляторов ограничен сложными процессами старения, причины которых зачастую трудно выявить. Исследователи из BAM показали, что анализ изотопов лития внутри элементов позволяет получить ценную информацию, как они объясняют в статье, опубликованной в журнале _ACS Energy Letters_.
Конкретно, команда под руководством Карлоса Абада и Беатрис Баттистеллы использовала распределение двух изотопов лития внутри элемента в качестве диагностического инструмента для изучения процессов старения. Ключевой вывод: «Их характерные следы и закономерности позволяют определить механизмы деградации», — говорится в пресс-релизе BAM.
Причина заключается в том, что множество сложных процессов внутри аккумулятора способствуют его ухудшению. «На сегодняшний день проблема четкой идентификации этих механизмов старения и их различия друг от друга остается нерешенной. Хотя традиционные методы диагностики показывают, что аккумулятор стареет, они часто предоставляют лишь ограниченную информацию о том, когда, где и по какому механизму происходит ухудшение», — объяснил Федеральный институт исследований и тестирования материалов (BAM).
Новый разработанный метод основан на том факте, что природный литий состоит из двух изотопов: лития-6 и немного тяжелее — лития-7. Это варианты одного и того же химического элемента с разным количеством нейтронов, как объясняет исследовательская группа. В новых аккумуляторах оба изотопа лития распределены в том же соотношении, что и во всех природных проявлениях этого щелочного металла, а именно 2,4 процента против 97,6 процентов.
Исследователи специально изучили литиевый аккумулятор с катодом, изготовленным из оксида лития-никеля-марганца-кобальта, и графитовым анодом. По словам ученых, уже после первых нескольких циклов зарядки литий-6 начал накапливаться преимущественно на аноде. После еще 280 циклов это явление усилилось, в то время как катод показал значительно повышенное содержание лития-7. Одновременно с этим емкость элементов снизилась.
По данным BAM, обнаружение стало возможным благодаря высокоразрешающей форме масс-спектрометрии, которая позволила определить распределение изотопов лития слой за слоем на всей глубине электродов. Исследования проводились в сотрудничестве с компанией Nu Instruments Ltd. из Великобритании и Дрезденским институтом твердотельных материалов и физики (IFW Dresden) при Лейбницевском институте.
«Таким образом, распределение изотопов лития предоставляет прямую информацию о процессах старения в литиево-ионных аккумуляторах. Изотопы выступают в роли естественных маркеров. Их распределение позволяет понять механизмы, контролирующие движение лития во время работы аккумулятора, и определить места возникновения изменений», — сказала Беатрис Баттистелла. Исследователи также смогли доказать, что эти следы тесно связаны с потерей емкости аккумуляторов.
Для технологии BAM важность полученных результатов заключается прежде всего в их потенциальном применении для точных измерений: вместо определения старения исключительно по снижению емкости в будущем его можно будет отслеживать гораздо раньше, опираясь на следы литиевых изотопов в элементе аккумулятора. «Это позволяет более точно понимать механизмы старения и в конечном итоге критически важно для более целенаправленного совершенствования аккумуляторов и более точного прогнозирования срока их службы», — заключает институт.