Ученые нашли объяснение, почему литиевые батареи теряют емкость

TUM_LithiumAkkusАккумуляторные батареи, катод которых состоит из смеси никеля, марганца, кобальта и лития, в настоящее время считаются наиболее эффективными. Но у них очень ограниченный срок службы. Уже при первом цикле они теряют до десяти процентов от своей емкости.

В чем причина и что можно сделать против следующей за этим постепенной потери мощности, выясняла междисциплинарная команда ученых из Технического университета Мюнхена (TUM) с использованием позитронов.

Так называемые никель-магний-кобальтовые аккумуляторные батареи, катоды которых изготовлены из смеси никеля, марганца, кобальта и лития, почти полностью вытеснили с рынка обычные литий-оксид кобальтовые батареи. Они дешевле и безопаснее, и поэтому среди прочего используются для электрических и гибридных автомобилей.

Но даже в них только менее 50% атомов лития действительно задействованы в создании емкости. Оказалась, что если уже при первой разрядке в электродах, исследованных в ТУ Мюнхена, из кристаллической решетки вымываются еще 62% атомов лития, то после зарядки возвращаются всего только 54%.

При последующих циклах потери уже намного ниже, однако, емкость продолжает падать все дальше и дальше. Емкость, оставшаяся после нескольких тысяч циклов настолько низка, что батареи становятся непригодными для использования.

Исследования других групп ученых показали, что, очевидно, при зарядке не все атомы лития возвращаются на свое место в кристаллической решетке. Однако существующие методы исследования не могли показать, какие процессы на атомном уровне отвечают за это.

Решение было найдено, как это часто бывает, в результате междисциплинарного сотрудничества: Ирмгард Бухбергер, сотрудница кафедры технической электрохимии в ТУ Мюнхена обратилась к Стефану Зайдльмайеру, который также занимается исследованием технологии аккумуляторных батарей в реакторе FRM II — самом мощном источнике нейтронов в Германии в научно-исследовательском Центре Хайнца Майера-Лейбница (MLZ).

А уже он связал её с Кристофом Хугеншмидтом, который является куратором источника позитронов NEPOMUC в том же Центре Хайнца Майера-Лейбница. Этот источник производит позитроны, античастицы электронов, и рассчитан на поиск дыр в кристаллических решетках.

«Позитроны как чрезвычайно малые и очень подвижные частицы могут свободно пролетать сквозь материалы. Когда они сталкиваются с электронами, то такая встреча заканчивается в конечном итоге вспышкой энергии, но если они находят пустое место в кристаллической решетке, то живут гораздо дольше,» объясняет Маркус Райнер, который проводил испытания на приборе NEPOMUC.

Исследование ясно показывает, что во время зарядки незанятые «дыры» в решетке материала катода сопровождаются необратимой потерей емкости, и эта блокада обусловлена недостаточным заполнением дыр в материале катода.

«А теперь снова наступает наша очередь химиков,» говорит профессор Хуберт Гаштайгер, заведующий кафедрой технической электрохимии. «С помощью целенаправленной модификации материала катода мы можем начать поиск путей, чтобы обойти этот барьер.»

«Для исследования аккумуляторных батарей источник нейтронов в Гаршинге является чрезвычайно полезным инструментом,» сказал Ральф Жиль, который координирует измерения для проекта по исследованию батарей ExZellTUM на реакторе FRM II. «Нейтроны позволяют нам увидеть, в частности, такие маленькие атомы, как у лития, даже через металлическую оболочку, во время работы аккумулятора. Позитроны открыли нам еще одну возможность, чтобы лучше понять процессы, и, таким образом, продолжить усовершенствование работы аккумуляторов».

Исследование финансировалось Федеральным министерством образования и научных исследований (BMBF) в рамках проекта ExZellTUM. Также министерством финансируется работа спектрометра совпадающего доплеровского уширения, необходимого для проведения исследований.

Источник: http://www.sonnenseite.com/de/wissenschaft/forscher-erklaeren-verluste-bei-lithium-akkus.html?utm_source=dlvr.it&utm_medium=facebook

 

Написать нам