Новый катодный материал для литий-ионных аккумуляторов электромобилей

Этот материал представляет собой знакомый слоистый оксид переходного металла с высоким содержанием никеля, но с измененной микроструктурой, которая содержит больше энергии на единицу объема.

«Катоды в батареях электромобилей, как правило, используют слоистые оксиды переходных металлов, в том числе богатые никелем. Мы улучшили два широко используемых материала такого рода, добившись увеличения плотности энергии на 10–25%», — говорит исследователь, профессор Артем Абакумов.

Слоистый оксид, первоначально использовавшийся в катодах батарей, имел формулу LiCoO2. В используемых в настоящее время материалах некоторые атомы кобальта заменены никелем и марганцем.

Эти материалы известны под техническими названиями, такими как NMC811, где числа отражают соотношение между тремя элементами в химической формуле — например, восемь атомов никеля на один атом марганца и один атом кобальта.

Не изменяя их химический состав, исследователи Сколтеха улучшили NMC811 и его двоюродного брата NMC622, изменив микроструктурную организацию материалов.

Обычные НМК представляют собой порошкообразные поликристаллические материалы, а это означает, что каждая вторичная частица состоит из беспорядочно ориентированных зерен.

Кристаллическая структура внутри любого данного зерна практически безупречна, но, поскольку никакие два зерна не подходят друг другу идеально, на границах зерен неизбежно возникают пустые пространства.

Монокристаллические аналоги поликристаллических NMC — это то, что говорит само название: каждая частица порошка представляет собой, по сути, одно большое зерно без пустых пространств. Эти монокристаллы обычно имеют форму октаэдра.

«Наш материал представляет собой монокристаллический NMC со сферическими частицами, сочетающий в себе лучшее из обоих миров с точки зрения максимальной плотности. В отличие от поликристаллов, частицы порошка не имеют внутренней структуры, поэтому на границах зерен нет пустых пространств. Но кроме того, в тот же ограниченный объем можно упаковать больше монокристаллов сферической формы, чем октаэдрических, так что за счет этого тоже получается большая плотность», — говорит исследователь Александра Савина.

Помимо более плотной упаковки, сферическая форма кристаллов уменьшает площадь контакта с электролитом, сводя к минимуму нежелательные взаимодействия, которые со временем вызывают деградацию катода из-за образования трещин в частицах обычных НМК. Это должно увеличить срок службы катода и батареи в целом.

Чтобы изменить морфологию слоистого оксида, исследователи изменили процедуру синтеза, основанную на так называемом флюсовом методе.

Обычно вы начинаете с прекурсора с однородно распределенными никелем, марганцем и кобальтом. Вы смешиваете гидроксид лития или какой-либо другой источник лития и отжигаете при высокой температуре.

«Мы делаем следующее: после добавления литийсодержащего соединения мы также смешиваем инертную соль с низкой температурой плавления, плавим эту смесь и отжигаем при высокой температуре. Затем мы смываем соль и снова прокаливаем, чтобы избавиться от продуктов нежелательных реакций с водой. Но ключ в том, что в зависимости от того, какая инертная соль используется и в каком количестве, будет меняться геометрия частиц. С другой стороны, при обычном синтезе вы мало что можете сделать, чтобы повлиять на морфологию», — пояснила соавтор исследования и студентка магистратуры Сколтеха Алина Павлова.

Команда определила параметры соли, которые способствовали образованию сферических частиц. Испытания подтвердили, что полученный материал имел такую ​​же емкость накопления энергии на единицу массы, как и коммерческие аналоги, но имел большую плотность энергии, что позволяло упаковать больше энергии в то же ограниченное пространство.

Исследователи намерены экспериментировать с размером частиц, комбинируя меньшие и большие сферы для еще более плотной упаковки. Команда также будет заниматься многослойными оксидами переходных металлов, которые заменят еще больше атомов кобальта и марганца никелем, что еще больше повысит емкость накопления энергии.