BAM идентифицирует изотопы лития в качестве инструмента диагностики старения аккумуляторов
Исследователи Федерального института исследований и тестирования материалов обнаружили, что распределение двух изотопов лития в клетках напрямую связано с процессами разрушения, подобно отпечатку пальца. Это открытие должно помочь лучше понять механизмы старения аккумуляторов.
Иллюстративное изображение: типичный высоковольтный аккумулятор для электромобилей.
Источник изображения: Stellantis
Срок службы литиево-ионных аккумуляторов ограничивается сложными процессами старения, причины которых часто трудно различить друг от друга. Исследователи из BAM смогли показать, что стоит уделить более пристальное внимание изотопам лития в элементах аккумуляторов, как они объясняют в статье, опубликованной в научном журнале ACS Energy Letters.
Конкретно команда Карлоса Абада и Беатрис Баттистеллы использовала распределение двух изотопов лития в элементе аккумулятора в качестве инструмента для диагностики процессов старения. Основной вывод: «Их характерные следы и закономерности позволяют получить информацию о механизмах деградации», — говорится в заявлении BAM.
Причина заключается в том, что внутри аккумулятора происходит несколько сложных процессов, ответственных за его деградацию. «На данный момент остается нерешенной проблема точного выявления этих механизмов старения и их различия друг от друга. Традиционные методы диагностики позволяют определить, что аккумулятор стареет, однако часто предоставляют лишь ограниченную информацию о том, когда, где и посредством какого механизма происходит деградация», — описывает Федеральное агентство текущую ситуацию.
Новый метод использует тот факт, что природный литий состоит из двух изотопов — лития-6 и немного тяжелее его лития-7. По словам исследовательской группы, это варианты одного и того же химического элемента с разным количеством нейтронов. В новых батареях оба изотопа лития распределены так же, как и во всех природных залежах этого щелочного металла, а именно в соотношении 2,4 к 97,6 процентов.
Конкретно исследователи изучали литиевую батарею с катодом из оксида лития-никеля-марганца-кобальта (NMC) и графитовым анодом. По словам ученых, уже после первых циклов зарядки литий-6 преимущественно накапливался на аноде. После еще 280 циклов этот эффект усилился, в то время как катод содержал значительно больше лития-7. Одновременно снизилась ёмкость элементов.
По словам BAM, подтверждение стало возможным благодаря высокоразрешающей форме масс-спектрометрии, с помощью которой удалось определить распределение изотопов лития слой за слоем на всей глубине электродов. Исследования проводились в сотрудничестве с компанией Nu Instruments Ltd. в Великобритании, а также с Институтом твердотельных материалов и технологий имени Лейбница в Дрездене (IFW Dresden).
«Распределение изотопов лития предоставляет прямую информацию о процессах старения в литиево-ионных батареях. Изотопы действуют как естественные маркеры. Их распределение показывает нам, как литий перемещается во время работы батареи и в каких местах происходят изменения», — подводит итог Беатрис Баттистелла. Исследователи также смогли доказать, что эти признаки тесно связаны с потерей емкости батарей.
Для BAM значение этих результатов заключается прежде всего в возможностях их применения для точных измерений: вместо того чтобы определять старение исключительно по снижению емкости, в будущем его можно будет отслеживать гораздо раньше, опираясь на следы, которые оставляют изотопы лития в элементе аккумулятора. «Это позволяет более точно понимать механизмы старения, что в конечном итоге критически важно для более целенаправленного совершенствования аккумуляторов и более точного прогнозирования срока их службы», — гласит вывод.