В новом исследовании исследователи объясняют, почему один конкретный катодный материал хорошо работает при высоких напряжениях, а большинство других катодов - нет. Выводы, опубликованные в номере журнала Science от 19 июня, могут помочь разработчикам аккумуляторов разработать перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы, работающие при более высоких напряжениях.
Исследователи использовали мощный метод рентгеновской визуализации в сочетании с новыми алгоритмами анализа данных, чтобы получить представление - на наноуровне - о механических свойствах катодного материала, называемого шпинелью LNMO (состоящей из лития, никеля, марганца и атомы кислорода). Исследование показывает, как катодный материал ведет себя во время зарядки аккумулятора, и предлагает возможное объяснение того, почему этот конкретный катодный материал хорошо работает при высоких уровнях напряжения, что имеет решающее значение для аккумуляторов, используемых в мощных устройствах, таких как электромобили.
Кроме того, методы визуализации и анализа данных, описанные в этом исследовании, обеспечивают новые стратегии для изучения того, как другие катодные материалы ведут себя на наноуровне во время зарядки аккумуляторов.
Команда из нескольких институтов возглавляется физиками и наноинженерами из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Эксперименты по рентгеновской визуализации проводились в Аргоннской национальной лаборатории Advanced Photon Source.
«Понимание того, почему этот катодный материал хорошо работает при высоком напряжении, может помочь нам понять, как заставить другие материалы аккумуляторов также лучше работать при высоких напряжениях», - сказал Эндрю Ульвестад, первый автор научной статьи. Он провел это исследование в рамках своей докторской диссертации по физике. D. Работа в Калифорнийском университете в Сан-Диего.
В то время как катодные материалы в большинстве современных литий-ионных аккумуляторов работают при максимальном напряжении 4,2 В, шпинель LNMO устойчива к более высоким напряжениям. Он работает до 4,9 Вольт. Причины того, почему этот материал хорошо работает при высоких напряжениях, остались загадкой. Теперь команда предложила ответ на этот вопрос. С помощью методов визуализации и анализа данных они идентифицировали и локализовали дефекты в материале катода. Дефекты представляют собой неоднородности в высокоупорядоченной атомной структуре материала.
Используя усовершенствованный источник фотонов Аргоннской национальной лаборатории, команда сфотографировала материал катода, когда он находился внутри заряжаемой литий-ионной батареи. Анализ изображений показал, что дефекты стационарны, когда батарея находится в состоянии покоя. Но когда аккумулятор заряжается до высокого напряжения, дефекты перемещаются внутри материала катода. Исследователи сообщают, что это важное открытие, поскольку оно показывает, что материал обладает уникальным способом реагирования на деформации, вызванные высоким напряжением.
'Материалы обычно реагируют на деформации растрескиванием. Наши эксперименты показывают, что этот материал справляется с деформациями, перемещая дефекты во время зарядки аккумулятора», - говорит Ширли Менг, профессор наноинженерии в Инженерной школе Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего и соавтор исследования. «С точки зрения исследователя аккумуляторных материалов это исследование также указывает на захватывающую возможность «инженерии дефектов» для аккумуляторных материалов. Это потребует разработки новых материалов для батарей, которые имеют определенные «дефекты», повышающие производительность».
«У дефектов плохая репутация из-за нашего постоянного стремления к совершенству», - сказал Олег Шпырко, профессор физики Калифорнийского университета в Сан-Диего и соавтор исследования. «Но можем ли мы использовать дефект-инжиниринговый подход для разработки и создания новых типов материалов или, возможно, для улучшения желаемых свойств существующих? Наше исследование показывает, что дефекты можно направить или даже срежиссировать, просто пропуская через материал электрический ток.'
Прорыв в этом исследовании произошел благодаря анализу данных метода визуализации, называемого когерентной дифракционной визуализацией Брэгга.
В этом методе используются рентгеновские лучи, подобные лазеру, и новые компьютерные алгоритмы для реконструкции 3D-изображений с высоким разрешением наноразмерных структур, таких как шпинель LNMO, описанная в этом исследовании.
Дефекты трудно визуализировать напрямую, потому что они чрезвычайно малы - менее нанометра. Однако каждый дефект вызывает поле деформации, которое представляет собой область деформации, окружающую дефект в атомной структуре. Поля деформации намного больше - десятки нанометров в размере, что делает их достаточно большими, чтобы их можно было отобразить. Анализируя поля деформации в шпинели LNMO, команда наметила дефекты и изучила, как они влияют на характеристики материала при высоких напряжениях.
«Эти новые методы визуализации, которые позволяют нам заглянуть внутрь батареи, пока она работает в режиме реального времени, будут важны не только для материалов для хранения энергии, но и для многих других приложений, новых материалов и устройств», - сказал Шпырко.«Благодаря нашим совместным усилиям мы разработали набор инструментов, которые могут помочь разобраться в сложности дефектов атомарного масштаба, которые обычно связаны со снижением производительности, но также потенциально могут использоваться для контроля или оптимизации свойств материала».
«Важно видеть дефекты и знать, где они находятся, чтобы понять, как они могут изменить свойства материала», - сказал Ульвестад. «Мы первые, кто сделал эту визуализацию с работающей батареей».
Отрицательный коэффициент Пуассона
Команда использовала дефекты для исследования механических свойств шпинели LNMO. Исследователи сообщают, что перемещение дефектов во время зарядки батареи вызывает изменения в полях деформации, которые описываются математическими уравнениями. Используя эти уравнения, команда вычислила свойство материала, называемое коэффициентом Пуассона, и обнаружила, что это значение отрицательно, когда материал заряжается до более высоких напряжений.
Коэффициент Пуассона показывает, как ведет себя материал под действием приложенной деформации. Большинство материалов имеют положительный коэффициент Пуассона. Это означает, что когда материал увеличивается в одном измерении, он сжимается в двух других измерениях, и наоборот. Например, растягивание резинки в одном измерении делает ее тоньше в другом измерении, а нажатие на мяч заставляет его расширяться во всех направлениях.
Материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона встречаются редко. В этом случае растяжение резинки сделало бы ее толще в других измерениях.
Это свойство имеет важные применения для материалов литий-ионных аккумуляторов. Это позволяет материалам сохранять свою форму независимо от типа деформации, что делает их более устойчивыми к деформации.
'Шпинель LNMO невероятно прочная. Его можно расширить или сжать, и он не треснет. Никто никогда не сообщал об отрицательном коэффициенте Пуассона в материалах батарей. Мы предполагаем, что это свойство помогает сделать этот катодный материал более устойчивым к деформации, чем другие материалы при высоких напряжениях», - сказал Мэн.