AFM: учёные из РФ в два раза замедлили деградацию аккумуляторов электромобилей
Фото: freepik
Российские учёные из Сколковского института науки и технологий (Сколтех) достигли значительного прогресса в области увеличения срока службы литий-ионных аккумуляторов путём разработки метода легирования катодного материала на основе использования высоковалентного тантала. В результате исследований было установлено, что введение всего 0,5% оксида тантала (Ta₂O₅) в катодный материал позволяет практически вдвое снизить скорость деградации ёмкости батарей. Это открытие открывает новые перспективы для создания более надёжных, высокоэффективных и долговечных аккумуляторов, которые могут быть широко применены в электромобилях и системах хранения энергии.
В современной практике литий-ионных аккумуляторов катоды часто изготавливаются с использованием слоистого никеля, что способствует повышению их энергетической плотности. Однако увеличение содержания никеля сопровождается ускоренной деградацией батареи, обусловленной образованием трещин в материале в процессе многократных циклов зарядки-разрядки. Эти трещины приводят к снижению ёмкости аккумулятора и ухудшению его эксплуатационных характеристик.
Одним из перспективных подходов является использование катодных частиц с градиентной концентрацией металлов. В таких частицах концентрация никеля максимальна в центре и плавно уменьшается к поверхности, тогда как концентрация стабилизирующих элементов, таких как марганец и кобальт, увеличивается. Аспирант Сколтеха Люция Ситникова отметила, что ключевой задачей было создание стабильной градиентной структуры. Для решения этой проблемы была разработана математическая модель, позволяющая прогнозировать изменение концентрации металлов в зависимости от параметров синтеза, что позволило создать различные варианты материалов.
Другой важной задачей является сохранение градиентной структуры на завершающем этапе производства при высокотемпературном внедрении лития. Для достижения этой цели исследователи добавили в материал оксид тантала. Старший научный сотрудник Сколтеха Александра Савина пояснила, что высоковалентный тантал не интегрируется в кристаллическую решётку материала, а формирует обогащённые области на поверхности первичных кристаллитов. Это способствует катионному разупорядочению в слоистой структуре и формированию слоя толщиной несколько нанометров, который сохраняет кристаллическую целостность материала. Такое модифицирование предотвращает перераспределение металлов и укрупнение частиц при высоких температурах, что существенно улучшает стабильность и долговечность аккумулятора.
Результаты данного исследования были опубликованы в журнале Advanced Functional Materials. В работе представлены детальное моделирование, синтез с использованием модифицированного метода соосаждения и анализ, проведённый с применением современных методов, включая просвечивающую электронную микроскопию. Эти достижения демонстрируют значительный вклад российских учёных в развитие технологий литий-ионных аккумуляторов и открывают новые горизонты для повышения их эффективности и надёжности.
