BAM використовує ізотопи літію як діагностичний інструмент для визначення ступеня старіння акумулятора
Дослідники Федерального інституту дослідження та тестування матеріалів виявили, що розподіл двох ізотопів літію в елементах акумулятора безпосередньо пов’язаний із процесами деградації, подібно до відбитка пальця. Це відкриття має допомогти краще зрозуміти механізми старіння акумуляторів.
Символічне зображення: типовий високовольтний акумулятор для електромобілів.
Зображення: Stellantis
Термін служби літій-іонних акумуляторів обмежений складними процесами старіння, причини яких часто важко визначити. Дослідники з BAM довели, що аналіз ізотопів літію всередині елементів може надати цінну інформацію, про що вони пишуть у статті, опублікованій у журналі _ACS Energy Letters_.
Зокрема, команда під керівництвом Карлоса Абада та Беатріс Баттістелли використала розподіл двох ізотопів літію всередині елемента як інструмент для діагностики процесів старіння. Ключове висновок: «Їхні характерні сліди та закономірності дозволяють визначити механізми деградації», — йдеться у прес-релізі BAM.
Фоном є те, що кілька складних процесів всередині акумулятора сприяють його деградації. «До сьогодні залишається нерозв’язаною проблема чіткого визначення цих механізмів старіння та їх розрізнення один від одного. Хоча традиційні методи діагностики показують, що акумулятор старіє, вони часто надають лише обмежену інформацію про те, коли, де та за яким механізмом відбувається деградація», — пояснив Федеральний інститут дослідження та тестування матеріалів (BAM).
Ново розроблений метод ґрунтується на тому, що природний літій складається з двох ізотопів: літію-6 та трохи важчого літію-7. Це варіанти одного й того самого хімічного елемента з різною кількістю нейтронів, як пояснює дослідницька група. У нових акумуляторах обидва ізотопи літію розподілені у тому ж співвідношенні, що й у всіх природних знаходженнях цього лужного металу, а саме 2,4 відсотка проти 97,6 відсотка.
Дослідники конкретно дослідили акумулятор на літії з катодом, виготовленим з оксиду літію-нікелю-марганцю-кобальту, та графітовим анодом. За словами вчених, літій-6 почав накопичуватися переважно в аноді вже після кількох циклів заряджання. Після ще 280 циклів цей ефект посилився, тоді як катод показав значно збільшену кількість літію-7. Водночас ємність елементів зменшилася.
За даними BAM, виявлення стало можливим завдяки високороздільній формі мас-спектрометрії, яка дозволила визначити розподіл ізотопів літію шар за шаром на всій глибині електродів. Дослідження проводилися у співпраці з компанією Nu Instruments Ltd. у Великобританії та Лейбніцьким інститутом досліджень твердого стану та матеріалів у Дрездені (IFW Dresden).
«Розподіл ізотопів літію таким чином надає пряму інформацію про процеси старіння літій-іонних акумуляторів. Ізотопи виступають у ролі природних маркерів. Їхній розподіл дозволяє зрозуміти механізми, які контролюють рух літію під час роботи акумулятора, та визначити місця, де відбуваються зміни», — сказала Беатріс Баттістелла. Дослідники також змогли довести, що ці сліди тісно пов’язані зі зниженням ємності акумуляторів.
Для BAM значення цих результатів полягає насамперед у їхньому потенційному застосуванні для точних вимірювань: замість виявлення старіння лише через зниження ємності, у майбутньому його можна буде відстежувати набагато раніше, спираючись на сліди, які залишають ізотопи літію в елементі акумулятора. „Це дозволяє більш точно розуміти механізми старіння та є в кінцевому підсумку ключовим для більш цілеспрямованого вдосконалення акумуляторів та більш точного прогнозування їхнього терміну служби“, — підсумовує інститут.