Сфероподобная форма частиц NMC622. Источник: Иван Моисеев и др./Energy Advances
Исследователи из Сколтеха разработали инновационный материал для катодов литий-ионных батарей электротранспорта. За счёт своей повышенной удельной энергоёмкости материал сделает катоды и сами батареи компактнее, а значит, электромобиль с батареей того же размера сможет проехать на одной зарядке больше километров. Представленный в журнале Energy Advances и зарегистрированный Роспатентом материал представляет собой модификацию ныне используемого обогащённого никелем слоистого оксида переходных металлов, но с более выигрышной с точки зрения запасания энергии микроструктурой кристаллов. Работа поддержана грантом РНФ.
«Несовершенство катодных материалов ограничивает развитие электротранспорта на литий-ионных аккумуляторах, — рассказывает руководитель исследования, профессор Центра энергетических технологий Сколтеха Артем Абакумов. — Катоды батарей электромобилей обычно изготавливают из слоистых оксидов переходных металлов, в том числе обогащённых никелем. Мы усовершенствовали два материала этого класса, добившись повышения на 10–25% удельной энергоёмкости. То есть катод будет меньше, вся батарея — компактнее. Значит, заняв тот же объём, аккумулятор сможет запасти больше энергии, и пробег на одной зарядке увеличится. В качестве приятного дополнения материал медленнее деградирует, что повышает срок службы катода».
Первоначально в катодах из слоистых оксидов использовался материал с формулой LiCoO2. В современных материалах значительную часть атомов кобальта замещают никель и марганец. Названия таких материалов — скажем, NMC811 — отражают соотношение элементов: например, восемь атомов никеля на один атом марганца и один атом кобальта. Исследователям из Сколтеха удалось улучшить популярные материалы NMC811 и NMC622 за счёт изменения их микроструктуры; при этом химический состав остаётся прежним.
Традиционные NMC представляют собой порошкообразные поликристаллические материалы: в них каждая частица состоит из случайным образом ориентированных зёрен. Кристаллическая структура самих зёрен близка к идеальной, но на стыках между ними образуются полости. Таких полостей нет в монокристаллических NMC, у которых одна частица порошка соответствует одному «зерну» и имеет, как правило, форму октаэдра.
«Наш материал — это монокристаллический NMC со сферическими частицами, то есть он занимает меньший объём сразу по двум причинам. Во-первых, частицы не имеют внутренней поликристаллической структуры — там нет границ зёрен и локализованных на них пустот. Во-вторых, монокристаллы сфероподобной формы упаковываются плотнее, чем октаэдры», — прокомментировала исследование его соавтор, научный сотрудник Сколтеха Александра Савина.
Помимо повышения плотности, сферическая форма кристаллов уменьшает площадь соприкосновения катода с электролитом, что замедляет нежелательные процессы, которые со временем ведут к формированию трещин в материале катода и его постепенному разрушению. Таким образом, продлевается срок службы катода и самой батареи.
Изменить морфологию слоистого оксида учёным из Сколтеха удалось за счёт корректировки процедуры синтеза материала.
Обычно начинают с осаждения прекурсора — вещества, в котором равномерно распределены никель, марганец и кобальт. Далее добавляется гидроксид или иной источник лития и производится высокотемпературный отжиг.
«Мы же после добавления литий-содержащего вещества также вносим инертную соль с низкой температурой плавления, потом расплавляем эту смесь и производим высокотемпературный отжиг. Затем следует промывка от соли и повторный отжиг, чтобы избавиться от продуктов нежелательных реакций с водой. Главное здесь то, что в зависимости от количества и химического состава инертной соли в конечном итоге меняется геометрия частиц оксида. В традиционном синтезе возможности повлиять на морфологию продукта почти нет», — пояснила соавтор работы, магистрант Сколтеха Алина Павлова.
Коллективу удалось подобрать такой состав и количество соли, которые способствуют формированию сферических частиц NMC. Испытания подтвердили, что энергоёмкость материала на грамм такая же, как у коммерческих аналогов. Однако за счёт повышения плотности в том же объёме получается запасти больше энергии.
В будущем исследователи планируют экспериментировать с размером частиц в надежде добиться ещё более плотной упаковки за счёт сочетания сфер разного диаметра. Параллельно с этим коллектив будет рассматривать слоистые оксиды переходных металлов с ещё более высоким содержанием никеля, что тоже должно повысить энергоёмкость.
