Дослідження: вплив повітря прискорює старіння акумуляторів, багатих на нікель

Дослідники з Університету Ханьян у Південній Кореї виявили раніше не помічений механізм старіння у катодних матеріалах, багатах на нікель та позбавлених кобальту. Їхні результати свідчать про те, що просте зберігання попередників цих матеріалів у повітрі може спричинити хімічні зміни, які суттєво скорочують термін служби акумулятора.

Дослідники зосередилися на катодах без кобальту із ядром, багатим на нікель, та покриттям, багатим на марганець. Ці матеріали вважаються перспективним рішенням для збільшення дальності їзди електромобілів та зменшення залежності від критичного сировинного матеріалу — кобальту. Однак команда виявила, що просте зберігання попередників цих матеріалів у повітрі може спричинити хімічні зміни, які прискорюють старіння акумулятора.

Згідно з дослідженням, зберігання прекурсорних матеріалів у повітрі спричиняє окислення марганцю на поверхні частинок. Це окислення створює дефектні поверхневі області, які містять так звані сполуки марганцю з деформацією типу Ян-Теллера. Ці сполуки реагують особливо інтенсивно з електролітом, сприяють розчиненню переходних металів та викликають шкідливі реакції на графітовому аноді. У досліджуваних батареях з високим вмістом нікелю фахівці виявили, що цей ефект майже подвоює втрату ємності під час довготривалих тестів на циклування.

«Ми виявили, що шар, багатий на марганець, який зазвичай використовується для захисту катодів з високим вмістом нікелю, може натомість стати каталізатором деградації, якщо хімію прекурсорів не контролювати ретельно», — пояснив професор Банг. «Навіть незначні зміни у умовах зберігання прекурсорів можуть суттєво вплинути на стабільність батареї».

Як потенційне рішення дослідники пропонують збільшити вміст літію під час синтезу. Згідно з дослідженням, цей підхід пригнічує утворення дефектної поверхневої фази та відновлює стабільний зв’язок між марганцем та киснем. Під час тестів катоди, виготовлені за цим методом, зберегли понад 90% своєї ємності, що свідчить про значне покращення довгострокової стабільності.

Дослідницька команда вважає, що отримані результати надають важливі уявлення для розробки катодів високої енергійності без кобальту. Вони підкреслюють, що просте виключення кобальту недостатнє. «Наші результати показують, що навіть незначні зміни в історії використання прекурсорів можуть мати серйозні наслідки для продуктивності акумуляторів, тому управління прекурсорами є важливим фактором при масовому виробництві», — додав професор Банг.

На думку дослідників, ретельний контроль обробки матеріалів та стехіометрії літію може забезпечити відносно простий шлях до створення більш довговічних акумуляторів, без необхідності використання дорогих додаткових покриттів чи фундаментальних змін у виробничих лініях.

Для ясності, у дослідженні не розглядаються акумулятори типу LFP та NMC, які використовуються у більшості сучасних електромобілів. Натомість воно зосереджується на катодах без кобальту з високим вмістом нікелю та захисних шарах, багатих на марганець, які розробляються як потенційні наступники сучасних літій-іонних елементів із високим вмістом нікелю. Таким чином, отримані результати надають інформацію щодо розробки майбутніх акумуляторів для приводу, показуючи, що довгострокова стійкість залежить не лише від хімії елемента, а й від ретельного контролю процесу виробництва.