Изобретателят на литиевите батерии създаде покритие за увеличаване на капацитета им

Мнозина може да са запознати с това как смартфоните и другите електронни устройства губят способността си за се зареждат с течение на времето, но литиево-йонните батерии, които ги захранват, всъщност загубват значителна част от капацитета си още преди да започнат да работят. Причината е в примеси, които се образуват по време на първия им цикъл на зареждане. Ала екип, ръководен от носителя на Нобелова награда, изобретил акумулаторните литиеви батерии, може би е намерил решение на този проблем, под формата на ново покритие, което елиминира тези загуби в самото начало.

Несъвършенствата, които са в основата на проблемите с литиевите батерии, се коренят в богатите на никел катоди в положителната страна на устройството. Никелът е ключов за впечатляващата енергийна плътност на литиево-йонните батерии, но също така е нестабилен.

Това води до образуването на примеси по повърхността на катода по време на първия цикъл на зареждане и разреждане. На свой ред това незабавно намалява капацитета за съхранение на батерията с 10 до 18 процента. Освен това никелът създава нестабилност под повърхността в катодната структура, която с течение на времето също започва да влошава капацитета за съхранение на батерията.

През 2019 г. Стенли Уитингам получава Нобелова награда за химия заедно с двама други учени за разработването на литиево-йонната батерия през 70-те години. Оттогава технологията е изминала дълъг път, но изследователите, включително Уитингем, все още работят за подобряването им. Те постоянно експериментират с различни материали. Обещаващ за използване за катода е материал от никел-манган-кобалт, наречен NMC 811.

При изследванията на NMC 811, включващи третиране с ниобиев оксид без литий, надеждата беше, че това ще предотврати нестабилността в катода – нещо, което изследователите изследваха чрез рентгенови и неутронни дифракционни изследвания. „Неутроните лесно проникват в катодния материал, за да разкрият къде се намират атомите на ниобия и лития, което дава по-добро разбиране за това как протича процесът на модифициране на ниобия“, казва авторът на изследването Хуи Чжоу. „Данните за разсейване на неутроните предполагат, че атомите на ниобия стабилизират повърхността, за да намалят загубите от първия цикъл, докато при по-високи температури атомите на ниобия изместват някои от атомите на мангана по-дълбоко в материала на катода, за да подобрят дългосрочното запазване на капацитета“.

В крайна сметка покритието осигурява по-добра производителност и в дългосрочен план, което води до запазване на капацитета от 93,2 процента при 250 цикъла на зареждане. Учените виждат много потенциал в новия дизайн на батерията, особено когато съхранението с висока плътност е приоритет, например в света на електрическия транспорт.

„Подобренията, наблюдавани в електрохимичните характеристики и структурната стабилност, правят модифицирания с ниобий NMC 811 кандидат като катоден материал за използване в приложения с по-висока енергийна плътност, като например електрически превозни средства“, казва Уитингам. „Комбинирането на ниобиево покритие със заместване на атомите на ниобия с атоми на манган може да бъде по-добър начин за увеличаване както на първоначалния капацитет, така и на дългосрочното запазване на капацитета. Тези модификации могат лесно да бъдат мащабирани, като се използват настоящите многоетапни производствени процеси за NMC материали“.

На графиката: покритието, съставено от ниобиев оксид без литий (в зелено) може да увеличи дългосрочния капацитет на литиевите батерии, което би могло да бъде от полза за електрическите превозни средства. Графика: Джил Хеман / ORNL

Коментари

Напиши коментар

E-mail адресът Ви няма да бъде публикуван




*