Быстрая зарядка батарей приводит к снижению емкости

Поверхность электрода после 25 циклов быстрого заряда: отчетливо видны марганцевые области с отверстиями.

Слишком быстрые циклы заряда литий-ионных батарей могут значительно снизить их емкость: структура материала разрушается, и активная поверхность для хранения энергии уменьшается. Ученые впервые смогли показать эти структурные изменения: исследования с использованием рентгена выявили, что уже после нескольких циклов зарядки внутренняя структура материала батареи начинает разрушаться. Однако при медленном заряде материал остается неповрежденным намного дольше.

Литий-ионные батареи широко используются для аккумулирования энергии, поскольку они обладают высокой плотностью заряда. Обычно емкость резко снижается после тысячи циклов разряда-заряда. Еще один вид аккумуляторов на основе сплава таких материалов, как литий, никель и оксид марганца, благодаря высокому напряжению (4,7 В) также является перспективным решением для накопления энергии. Электроды такого аккумулятора состоят из миниатюрных кристаллов, которые иногда называют кристаллитами. Кристаллы соединены между собой связующим веществом и проводящим углеродом, благодаря чему образуют тонкие пластины.

Руководитель исследования Ульрика Бёзенберг и команда ученых из Гиссенского и Гамбургского университетов и Австралийского национального научного агентства (SCIRO) изучали катоды этого состава (LiNi0.5Mn1.5O4) с помощью рентгеновского излучения. Они смогли определить с точностью до микрометра распределение никеля и марганца по поверхности электрода. Молекулярная структура активного материала электродов состоит из никеля, марганца и кислорода: активной считается поверхность с твердой кристаллической решеткой, в которую можно встроить и из которой можно извлечь ионы лития. Ионы лития, как известно, и являются переносчиками заряда в одноименных аккумуляторах.

В рамках исследования ученые тестировали электроды в трех режимах заряда: быстром, умеренном и медленном. После проведения 25 циклов разряда-заряда в каждом режиме изучалось распределение элементов по поверхности электрода. Результаты показали, что быстрый заряд приводит к выбиванию атомов марганца и никеля из кристаллической структуры, в результате чего на электроде появляются маленькие отверстия (диаметром до 0,1 мм). Поврежденные области уже не могут принимать ионы лития, а значит, емкость аккумулятора снижается.

Суть рентгеноспектрального метода заключается в том, что при взаимодействии рентгеновского излучения с атомами пробы происходит перераспределение электронов на внутренних атомных оболочках, что приводит к выделению кванта флуоресцентного излучения. Это вторичное излучение различно у разных химических элементов, поэтому метод и позволяет вычислить точное распределение элементов электрода. В описанном исследовании использовался специальный рентгеновский аппарат, в котором содержится около 400 элементов, являющихся образцами для определения элементов пробы. Благодаря высокому разрешению и чувствительности аппарата в одном цикле оценивалось распределение сразу нескольких химических элементов.

Еще один аппарат, использовавшийся в исследовании, позволил изучать поверхности электродов: площадь исследуемой точки поверхности составляет 2х2 мм2, а разрешение аппарата - 0,5 мкм. Исследование каждой точки поверхности занимает всего тысячную долю секунды. Благодаря таким техническим возможностям ученые смогли точно определить расположение повреждений на поверхности электродов. По словам Бёзенберг, это позволит лучше понять причины разрушения материала и создать решения по улучшению качества аккумуляторов.

Далее исследователи планируют изучить механизмы возникновения частиц никеля и марганца, которые оседают на аноде. «Из-за этого значительно ухудшаются свойства аккумуляторов, поэтому мы будет работать над решением этой проблемы», - говорит Ульрика.

 

 

Возврат к списку

Хотите подписаться на статьи электронного журнала "Электрорешения"?