Ученые нашли ключ к деградации аккумуляторов электромобилей

Исследование проведено командой из Аргоннская национальная лаборатория и Чикагский университет и посвящено сравнению двух типов никельсодержащих катодов — поликристаллических (PC-NMC) и монокристаллических (SC-NMC).

В чём заключалась проблема

Поликристаллические катоды PC-NMC давно известны склонностью к растрескиванию: границы между зёрнами служат очагами механических напряжений. В качестве альтернативы рассматривались монокристаллические материалы SC-NMC, лишённые межзерновых границ и потенциально более устойчивые.

Однако на практике SC-NMC часто демонстрировали худшие характеристики по ресурсу и стабильности. До сих пор это объясняли, используя те же модели деградации, что и для поликристаллических катодов — что, как выяснилось, было ошибкой.

Ключевое открытие

Исследователи показали, что механизм деградации монокристаллических катодов принципиально отличается от поликристаллических. В SC-NMC разрушение связано не с объёмным расширением кристаллической решётки, а с накоплением локальных наноскопических деформаций вдоль протяжённых путей диффузии лития.

Химико-механический анализ на уровне отдельных частиц выявил расхождение между:

• общей механической стабильностью материала;
• изменением объёма решётки при циклировании.

Это ставит под сомнение применимость традиционных критериев оценки деградации, разработанных для PC-NMC.

«Когда исследователи переходят к монокристаллическим катодам, они следуют тем же принципам проектирования, что и для поликристаллических, — поясняет первый автор работы Ван Цзин. — Наши результаты показывают, что эти предположения неверны».

Новая роль кобальта и марганца

На основе выявленного механизма команда переосмыслила влияние легирующих элементов:

• Кобальт оказался критически важным для SC-NMC: он смягчает локальные деформации и существенно увеличивает срок службы катода.
• Марганец, напротив, усиливает механическую деградацию монокристаллических материалов, несмотря на его традиционную роль в повышении стабильности PC-NMC.

Это означает, что оптимальные составы катодов для монокристаллической архитектуры должны разрабатываться с нуля, а не адаптироваться из существующих решений.

Шаг за пределы литий-ионных батарей

Параллельно в этом году американские исследователи представили катодный материал на основе железа, способный отдавать и принимать пять электронов вместо традиционных двух–трёх. Такой подход может радикально увеличить энергоёмкость аккумуляторов.

Потенциальные области применения технологии выходят за рамки электромобилей и включают:

• магнитно-резонансные томографы,
• маглев-поезда,
• перспективные сверхпроводящие системы.

Что это меняет

Работа закладывает основу для:

• увеличения срока службы аккумуляторов электромобилей,
• снижения риска теплового разгона,
• более точного подбора состава катодов под конкретную кристаллическую архитектуру.

Фактически речь идёт о пересмотре базовых принципов проектирования катодных материалов, что может ускорить переход к более надёжным и долговечным батареям следующего поколения.