BAM ідентифікує ізотопи літію як засіб діагностики старіння акумуляторів
Дослідники Федерального інституту досліджень та перевірки матеріалів виявили, що розподіл двох ізотопів літію в клітинах, схоже на відбиток пальця, безпосередньо пов’язаний із процесами деградації. Це відкриття має допомогти краще зрозуміти механізми старіння акумуляторів.
Ілюстративне зображення: типовий високовольтний акумулятор для електромобілів.
Зображення: Stellantis
Термін служби літій-іонних акумуляторів обмежується складними процесами старіння, причини яких часто важко розрізнити одна від одної. Дослідники BAM змогли показати, що варто уважніше придивитися до літій-ізотопів у клітинах, як вони пояснюють у статті, опублікованій у фаховому журналі ACS Energy Letters.
Конкретно команда Карлоса Абада та Беатріс Баттістелли використала розподіл двох літій-ізотопів у клітині як інструмент діагностики процесів старіння. Основний висновок: „Їхні характерні сліди та закономірності дають інформацію про механізми деградації, які лежать в основі цього процесу“, — йдеться у повідомленні BAM.
Проблема полягає у тому, що всередині акумулятора існує кілька складних процесів, які спричиняють його деградацію. «Наразі залишається нерозв’язаною проблема точного 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 через який механізм відбувається деградація», — описує Федеральне управління поточну ситуацію.
Ново розроблений метод використовує той факт, що природне літій складається з двох ізотопів – літію-6 та трохи важчого літію-7. Це є варіантами одного й того самого хімічного елемента з різною кількістю нейтронів, стверджує дослідницька команда. У нових акумуляторах обидва ізотопи літію розподілені так само, як і у всіх природних джерелах цього лужного металу, тобто у співвідношенні 2,4 до 97,6 відсотків.
Конкретно дослідники вивчали акумулятор на літії з катодою з оксиду літію-нікелю-мангану-кобальту (NMC) та графітовою анодою. Як зазначають вчені, вже після перших циклів заряджання літій-6 переважно накопичувався на аноді. Після ще 280 циклів цей ефект посилився, тоді як катода мала значно вищий вміст літію-7. Водночас знизилась ємність елементів.
За даними BAM, це дослідження стало можливим завдяки високороздільній формі мас-спектрометрії, яка дозволила визначити розподіл ізотопів літію шар за шаром на всій глибині електрод. Дослідження проводилися у співпраці з компанією Nu Instruments Ltd. у Великобританії та з Інститутом фізики твердих тіл та матеріалознавства імені Лейбніца в Дрездені (IFW Dresden).
„Розподіл ізотопів літію надає прямої інформації про процеси старіння в літій-іонних акумуляторах. Ізотопи діють як природні маркери. Їхній розподіл показує нам, як літій рухається під час роботи акумулятора та в яких місцях відбуваються зміни“, — підсумовує Беатріс Баттістелла. Дослідники також змогли довести, що ці зміни тісно пов’язані з втратою ємності акумуляторів.
Для BAM значення цих результатів полягає насамперед у їхніх можливостях застосування для точних вимірювань: замість того, щоб визначати старіння лише за зниженням ємності, у майбутньому його можна буде відстежувати значно раніше, спираючись на сліди, які залишають ізотопи літію в елементі акумулятора. „Це дозволяє отримати більш точне розуміння механізмів старіння, що в кінцевому підсумку є ключовим для більш цілеспрямованого вдосконалення акумуляторів та точнішого прогнозування їхнього терміну служби“, — йдеться у висновку.