«Батько-засновник» літій-іонних батарей використовував нейтрони SNS, щоб підтвердити, що покриття катодного матеріалу (синій) оксидом ніобію, що не містить літію (світло-зелений), значно зменшило втрату ємності в першому циклі та покращило довгострокову ємність. Авторство зображення: Джилл Гемман/ORNL
Наприкінці 1970-х років М. Стенлі Віттінгем був першим, хто описав концепцію перезаряджуваних літій-іонних батарей, досягнення, за яке він розділив би Нобелівську премію з хімії 2019 року. Проте навіть він не міг передбачити складних проблем у матеріалознавстві, які виникнуть, коли ці батареї прийдуть до живлення світової портативної електроніки.
Одна з постійних технічних проблем полягає в тому, що кожного разу, коли новий літій-іонний акумулятор встановлюється в пристрій, до однієї п’ятої його енергетичної ємності втрачається, перш ніж пристрій можна буде зарядити в перший раз. Це вірно, незалежно від того, чи встановлено акумулятор у ноутбуці, камері, наручному годиннику чи навіть у новому електромобілі.
Причиною є домішки, які утворюються на багатих нікелем катодах — позитивній (+) стороні батареї, через яку накопичена енергія розряджається.
Щоб знайти спосіб зберегти втрачену потужність, Віттінгем очолив групу дослідників, до якої входили його колеги з Університету штату Нью-Йорк у Бінгемтоні (SUNY Binghamton) і вчені з Департаменту енергетики (DOE) у Брукхейвені (BNL) та Оук-Ріджі. Національні лабораторії (ORNL). Команда використовувала рентгенівське випромінювання та нейтрони, щоб перевірити, чи призведе обробка провідного катодного матеріалу — шаруватого нікель-марганцево-кобальтового матеріалу під назвою NMC 811 — оксидом ніобію, що не містить літію, призвести до більшої довговічності батареї.
Результати дослідження «Яка роль Nb у багатих нікелем шаруватих оксидних катодах для літій-іонних батарей?» з'являтися в Енергетичні листи ACS.
«Ми випробували NMC 811 на матеріалі шаруватого оксиду катода після того, як передбачили, що оксид ніобію, що не містить літію, утворить нанорозмірне покриття з оксиду літію і ніобію на поверхні, яке проводитиме іони літію та дозволить їм проникати в матеріал катода», — сказав Віттінгем, тепер видатний професор SUNY та директор Північно-Східного центру накопичення хімічної енергії (NECCES), Дослідницького центру енергетичних рубежів DOE під керівництвом SUNY Binghamton.
Літієві батареї мають катоди, виготовлені з чергування шарів літію та багатих нікелем оксидних матеріалів (хімічних сполук, що містять принаймні один атом кисню). атом), тому що нікель є відносно недорогим і допомагає забезпечити вищу щільність енергії та більшу ємність зберігання за нижчою ціною, ніж інші метали.
Але нікель у катодах є відносно нестабільним і тому легко реагує з іншими елементами, залишаючи поверхню катода покритою небажаними домішками, які зменшують ємність акумулятора на 10-18% під час його першого циклу заряду-розряду. Нікель також може викликати нестабільність внутрішньої частини катодної структури, що ще більше зменшує ємність накопичувача протягом тривалих періодів заряджання та розряджання.
Щоб зрозуміти, як ніобій впливає на багаті нікелем катодні матеріали, вчені виконали дослідження нейтронної порошкової дифракції на дифрактометрі для інженерних матеріалів VULCAN на джерелі розривних нейтронів (SNS) ORNL. Вони виміряли картини дифракції нейтронів чистого NMC 811 і зразків, модифікованих ніобієм
«Нейтрони легко проникали крізь матеріал катода, щоб виявити, де розташовані атоми ніобію та літію, що забезпечило краще розуміння того, як працює процес модифікації ніобію», — сказав Хуей Чжоу, керівник акумуляторного виробництва NECCES. «Дані розсіювання нейтронів свідчать про те, що атоми ніобію стабілізують поверхню, щоб зменшити втрати в першому циклі, тоді як при більш високих температурах атоми ніобію витісняють деякі атоми марганцю глибше всередину матеріалу катода, щоб покращити довгострокове збереження ємності».
Результати експерименту показали зменшення втрати ємності в першому циклі та поліпшення тривалого збереження ємності на понад 93 відсотки протягом 250 циклів заряджання-розряджання.
«Поліпшення електрохімічних характеристик і структурної стабільності роблять модифікований ніобієм NMC 811 кандидатом в якості катодного матеріалу для використання в системах з високою щільністю енергії, таких як електромобілі», — сказав Вітінгем. «Поєднання ніобієвого покриття із заміщенням атомів ніобію на атоми марганцю може бути кращим способом збільшення як початкової ємності, так і довгострокового збереження ємності. Ці модифікації можна легко розширити за допомогою існуючих багатоетапних процесів виробництва матеріалів NMC».
Віттінгем додав, що дослідження підтверджує цілі Консорціум Battery500, програму для кількох установ, яку очолює Тихоокеанська північно-західна національна лабораторія DOE для Управління з енергоефективності та відновлюваних джерел енергії DOE. Програма працює над розробкою наступного покоління літій-металевих елементів батареї, які забезпечують до 500 ват-годин на кілограм порівняно з поточним середнім показником близько 220 ват-годин на кілограм.
Довідка: «Яка роль ніобію в багатих нікелем шаруватих оксидних катодах для літій-іонних батарей?» Фенся Сінь, Хуей Чжоу, Яньсю Цзун, Матеуш Зуба, Янь Чень, Наташа А. Чернова, Цзяньмін Бай, Бен Пей, Аншіка Гоел, Джатінкумар Рана, Фенг Ван, Ке Ан, Луї Ф. Дж. Пайпер, Гуанвен Чжоу та М. Стенлі Віттінгем , 18 березня 2021 р., Енергетичні листи ACS.
DOI: 10.1021/acsenergylett.1c00190
Дослідження було підтримано Управлінням енергоефективності та відновлюваних джерел енергії DOE, Управлінням технологій транспортних засобів, а також використано ресурси Національного синхротронного джерела світла BNL II (NSLS-II) і Джерело розривних нейтронів ORNL.
SNS і NSLS-II призначені для користувачів Управління науки Міністерства освіти і науки. UT-Battelle LLC керує ORNL для Управління науки DOE. Управління науки є найбільшим прихильником фундаментальних досліджень у галузі фізичних наук у Сполучених Штатах і працює над вирішенням деяких із найнагальніших викликів нашого часу.
