Исследование: воздействие воздуха ускоряет старение аккумуляторов, богатых никелем
Исследователи из Университета Ханян в Южной Корее выявили ранее упускавшийся из виду механизм старения в катодных материалах, не содержащих кобальт и богатых никелем. Их результаты показывают, что простое хранение предшественников этих материалов на воздухе может вызвать химические изменения, существенно сокращающие срок службы аккумуляторов.
Исследователи сосредоточились на катодах без кобальта с ядром, богатым никелем, и покрытием, богатым марганцем. Такие материалы считаются перспективным решением для увеличения дальности пробега электромобилей при одновременном снижении зависимости от критически важного сырья — кобальта. Однако команда обнаружила, что простое хранение предшественников этих материалов на воздухе может спровоцировать химические изменения, ускоряющие старение аккумуляторов.
Согласно исследованию, хранение прекурсорных материалов на воздухе приводит к окислению марганца на поверхности частиц. Это окисление создает дефектные поверхностные области, содержащие так называемые марганцевые соединения с деформацией по закону Ян-Теллера. Эти соединения особенно интенсивно реагируют с электролитом, способствуют растворению переходных металлов и вызывают вредные реакции на графитовом аноде. В исследуемых батарейных системах с высоким содержанием никеля исследователи обнаружили, что этот эффект почти вдвое увеличивает потерю емкости в ходе длительных тестов циклирования.
«Мы выяснили, что оболочка, богатая марганцем, которая обычно используется для защиты катодов с высоким содержанием никеля, может вместо этого стать катализатором деградации, если химия прекурсоров не контролируется тщательно», — объяснил профессор Банг. «Даже небольшие изменения в условиях хранения прекурсоров могут существенно повлиять на стабильность батареи».
В качестве возможного решения исследователи предлагают увеличивать содержание лития в процессе синтеза. Согласно исследованию, этот подход сдерживает образование дефектной поверхностной фазы и восстанавливает стабильную связь между марганцем и кислородом. В ходе тестов катоды, произведенные с использованием этого метода, сохраняли более 90% своей емкости, что демонстрирует значительно улучшенную долгосрочную стабильность.
Команда исследователей считает, что полученные результаты предоставляют важные данные для разработки катодов с высокой энергийностью, не содержащих кобальт. Они подчеркивают, что простое исключение кобальта недостаточно. «Наши результаты показывают, что даже незначительные изменения в истории происхождения прекурсоров могут иметь серьезные последствия для характеристик аккумуляторов, поэтому управление прекурсорами является важным фактором при массовом производстве», — добавил профессор Банг.
По мнению исследователей, тщательный контроль за обработкой материалов и стехиометрией лития может обеспечить относительно простой путь к более долговечным аккумуляторам без необходимости использования дорогостоящих дополнительных покрытий или коренных изменений в производственных линиях.
Для ясности следует отметить, что в исследовании не рассматриваются аккумуляторы типа LFP и NMC, используемые в большинстве современных электромобилей. Вместо этого оно сосредоточено на катодах без кобальта с высоким содержанием никеля и богатых марганцем защитных слоях, которые разрабатываются в качестве потенциальных преемников современных литиево-ионных элементов с высоким содержанием никеля. Таким образом, полученные результаты предоставляют информацию о разработке будущих тяговых аккумуляторов, показывая, что долгосрочная надежность зависит не только от химического состава элемента, но и от тщательного контроля процесса производства.