Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики разработала новую конструкцию, направленную на повышение производительности и снижение стоимости литий-ионных батарей.
Исследователи из Аргонна говорят, что новая конструкция катода батареи с «двойным градиентом» увеличивает емкость хранения энергии, стабильность и срок службы при одновременном снижении затрат.
В 2012 году исследователи из Аргонна разработали новый катодный материал никель-марганец-кобальт, позволяющий повысить плотность энергии и долговечность. Недавно команда начала изучать способы его дальнейшего улучшения.
Работа под высоким напряжением имеет тенденцию вызывать растрескивание катодных частиц с упорядоченной слоистой структурой и дальнейшую реакцию с электролитом батареи, тем самым разрушая катоды. Решением команды было создание катодных частиц, структура которых постепенно меняется 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 оригинальной конструкции.
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 визуализирующих экспериментов, чтобы охарактеризовать новый катодный материал в состоянии покоя и в работе. Вместе эти тесты оценивали материал на катодном, частицном и атомном уровнях. Испытания подтвердили, что частицы оставались структурно и химически стабильными во время работы под высоким напряжением.
Частицы с двойным градиентом оказались более прочными, чем первоначальная конструкция Аргонна, так что после загрузки и выгрузки материала 500 раз он потерял лишь около 2 процентов своей вместимости. Команда также обнаружила, что такая конструкция улучшила способность катода противостоять нагреву, что имеет решающее значение для обеспечения безопасности операций под высоким напряжением.
«Этот революционный материал представляет собой общее 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 менее дорогие батареи, что способствует широкому распространению электромобилей и сетевых батарей. Наша запатентованная технология Процесс проектирования и производства готов к получению отраслевой лицензии.
Источник: Аргоннская национальная лаборатория
