Исследование, проведенное в Мичиганском университете, показывает, что трещины в положительном электроде литий-ионных аккумуляторов не только наносят ущерб, но и сокращают время зарядки аккумулятора.
Это противоречит мнению многих производителей электромобилей, которые стараются свести к минимуму образование трещин, поскольку это снижает срок службы батареи.
“Многие компании заинтересованы в создании аккумуляторов “на миллион миль” с использованием частиц, которые не растрескиваются. К сожалению, если трещины будут удалены, частицы батареи не смогут быстро заряжаться без дополнительной площади поверхности от этих трещин”, – сказал Иян Ли, доцент кафедры материаловедения и инженерии и автор-корреспондент исследования, опубликованного в журнале Energy & Environmental Science. “В автомобильной поездке мы не хотим ждать пять часов, пока автомобиль зарядится. Мы хотим зарядить его в течение 15 или 30 минут”.
Команда считает, что полученные результаты применимы к более чем половине всех аккумуляторов электромобилей, в которых положительный электрод — или катод — состоит из триллионов микроскопических частиц, изготовленных либо из оксида литий-никель-марганец-кобальт, либо из оксида литий-никель-кобальт-алюминий.
Теоретически скорость, с которой заряжается катод, зависит от отношения поверхности частиц к объему. Частицы меньшего размера должны заряжаться быстрее, чем частицы большего размера, поскольку они имеют большую площадь поверхности по отношению к объему, поэтому ионы лития имеют меньшее расстояние для диффузии через них.
Однако обычные методы не позволяют непосредственно измерить зарядные свойства отдельных частиц катода, а только среднее значение для всех частиц, составляющих катод батареи. Это ограничение означает, что общепринятая взаимосвязь между скоростью зарядки и размером частиц катода была всего лишь предположением.
“Мы обнаружили, что частицы катода растрескались и имеют более активные поверхности для поглощения ионов лития — не только на их внешней поверхности, но и внутри трещин частиц”, – сказал Цзиньхонг Мин, докторант в области материаловедения и инженерии, работающий в лаборатории Ли. “Специалисты по аккумуляторам знают, что происходит растрескивание, но не измеряли, как такое растрескивание влияет на скорость зарядки”.
Измерение скорости зарядки отдельных частиц катода стало ключом к открытию преимуществ взлома катодов, чего Ли и Мин достигли, поместив частицы в устройство, которое обычно используется нейробиологами для изучения того, как отдельные клетки мозга передают электрические сигналы.
“Когда я учился в аспирантуре, коллега, изучающий неврологию, показал мне эти массивы, которые они использовали для изучения отдельных нейронов. Я подумал, можем ли мы также использовать их для изучения частиц батареи, которые по размеру похожи на нейроны”, – сказал Ли.
Каждая матрица представляет собой специально разработанный чип размером 2 на 2 сантиметра, содержащий до 100 микроэлектродов. Рассеяв несколько катодных частиц в центре чипа, Мин переместил отдельные частицы на их собственные электроды в матрице, используя иглу примерно в 70 раз тоньше человеческого волоса. Как только частицы были установлены, Мин мог одновременно заряжать и разряжать до четырех отдельных частиц на матрице и измерил 21 частицу в этом конкретном исследовании.
Эксперимент показал, что скорость зарядки катодных частиц не зависит от их размера. Ли и Минь считают, что наиболее вероятным объяснением этого неожиданного поведения является то, что более крупные частицы на самом деле ведут себя как совокупность более мелких частиц, когда они трескаются. Другая возможность заключается в том, что ионы лития очень быстро перемещаются по границам зерен — крошечным пространствам между наноразмерными кристаллами, составляющими частицу катода.
Ли считает, что это маловероятно, если только электролит батареи — жидкая среда, в которой перемещаются ионы лития, — не проникает через эти границы, образуя трещины.
Преимущества материалов с трещинами важно учитывать при проектировании долговечных аккумуляторов с монокристаллическими частицами, которые не растрескиваются. Для быстрой зарядки эти частицы, возможно, должны быть меньше, чем современные частицы катода для крекинга. Альтернативой является изготовление монокристаллических катодов из различных материалов, которые могут быстрее перемещать литий, но эти материалы могут быть ограничены поставками необходимых металлов или иметь более низкую плотность энергии, сказал Ли.
