Инженеры нашли скрытого «убийцу» аккумуляторов: почему новейшие батареи трескаются и теряют емкость вопреки расчетам

Группа исследователей из Аргоннской национальной лаборатории и Чикагского университета выяснила, почему перспективные монокристаллические катоды, призванные решить проблему долговечности батарей, продолжают деградировать и даже могут стать причиной пожара. Используя синхротронное рентгеновское излучение, физики обнаружили, что проблема кроется в «реакционной неоднородности»: химические реакции внутри одного цельного кристалла протекают с разной скоростью, создавая колоссальное внутреннее напряжение, которое разрывает его изнутри.

Ранее в индустрии существовала догма, что монокристаллы (SC-NMC) являются решением проблемы деградации, в отличие от поликристаллических катодов. Последние состоят из множества склеенных зерен, которые при циклах зарядки-разрядки расширяются и сжимаются, что со временем приводит к трещинам. Логика подсказывала, что если нет границ между зернами, то и трескаться нечему. Однако практика показала, что даже эти «идеальные» структуры со временем разрушаются, теряя емкость. Новое исследование впервые показало, что происходит внутри самого монокристалла на атомном уровне.

Любопытно, что открытие также перевернуло представление о роли металлов в батареях. В погоне за удешевлением производители стараются заменить дорогой кобальт на дешевый марганец. Но исследование показало: именно марганец усиливает это разрушительное внутреннее напряжение в монокристаллах, тогда как «дорогой и ненавистный» кобальт, наоборот, гасит его и продлевает жизнь батарее.

Теперь перед инженерами стоит непростая задача: либо возвращаться к дорогому кобальту, что поднимет цены на электрокары, либо искать новые легирующие добавки, которые смогут его заменить, спасая кристаллы от саморазрушения.

Источник: scitechdaily.com