Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики США разработала новую конструкцию, целью которой является повышение производительности и снижение стоимости литий-ионных аккумуляторов.
Исследователи из Аргонна говорят, что новая конструкция катода батареи с «двойным градиентом» увеличивает емкость хранения энергии, стабильность и срок службы, одновременно снижая затраты.
В 2012 году исследователи из Аргонна разработали новый катодный материал никель-марганец-кобальт, позволяющий увеличить плотность энергии и долговечность. Недавно команда начала изучать способы дальнейшего его улучшения.
Работа под высоким напряжением имеет тенденцию вызывать растрескивание катодных частиц со слоистой упорядоченной структурой и усиление реакции с электролитом батареи, разрушая катоды. Решением команды было изготовление катодных частиц, структура которых постепенно переходит от неупорядоченного материала на поверхности к упорядоченному, слоистому материалу в ядре. Поверхность обогащена кобальтом, а внутренняя часть практически не содержит кобальта — менее 2% по сравнению с 10–20% в оригинальном дизайне.
Неупорядоченная поверхность частиц подавляет растрескивание и реакционную способность, а упорядоченное ядро максимизирует транспорт ионов. Таким образом, катод потенциально может достичь высокой емкости и стабильности при работе при высоких напряжениях.
Команда провела серию рентгеновских, электронных и визуальных экспериментов, чтобы охарактеризовать новый катодный материал в состоянии покоя и во время работы. В совокупности эти тесты оценивали материал на уровне катода, частиц и атомов. Испытания подтвердили, что частицы оставались структурно и химически стабильными при работе под высоким напряжением.
Частицы с двойным градиентом были более долговечными, чем исходная конструкция Аргонна, так что после 500-кратной зарядки и разрядки материала он терял лишь около 2% своей емкости хранения. Команда также обнаружила, что такая конструкция повышает способность катода противостоять нагреву, что имеет решающее значение для обеспечения безопасной работы при высоком напряжении.
«Этот революционный материал представляет собой комплексное улучшение аккумуляторов», — сказал Амин. «Он отличается более высокой емкостью, надежной стабильностью и термостойкостью при высоких напряжениях, а также более длительным сроком службы. Его высокая плотность энергии позволяет производить меньшие по размеру и более дешевые батареи, поддерживая широкое внедрение электромобилей и сетевых батарей. Наш запатентованный процесс проектирования и производства готов к лицензированию в промышленности».
Источник: Аргоннская национальная лаборатория
