Усередині батарей нового покоління з'являються тріщини: вчені знайшли причину, але не порятунок
Деякі монокристалічні катоди в батареях електромобілів нового покоління можуть тріскатися зсередини приблизно після 100 циклів заряду-розряду.
Очікувалося, що монокристалічні матеріали усунуть внутрішні шви, де часто виникають тріщини, і збільшать довговічність акумуляторів, проте нові лабораторні випробування виявили серйозну проблему. Вчені з Аргоннської національної лабораторії та Чиказького університету опублікували результати дослідження в журналі Nature Nanotechnology.
Під час використання батареї іони літію переміщуються з негативного електрода на катод, а електрони рухаються по зовнішньому ланцюгу, приводячи в рух двигун електромобіля. Рідкий електроліт у кожній енергетичній комірці підтримує процес і переносить іони літію між електродами.
Якщо в акумуляторі виникають тріщини і електроліт витікає зі своєї камери, то можуть початися додаткові хімічні реакції. Вони знижують ємність і збільшують виділення тепла, що може обернутися пожежею або навіть вибухом.
Багато батарей електромобілів використовують катоди з високим вмістом нікелю, оскільки цей метал дає змогу більшій кількості літію переміщатися всередину і назовні для більш високої ємності зберігання енергії. Однак за високої напруги кисневі зв'язки в конструкції слабнуть, що підвищує ризик появи тріщин.
Часто катоди тріскаються в місцях зіткнення сусідніх кристалічних зерен, тому деякі виробники переходять на монокристалічні конструкції, де слабких місць має бути менше.
Команда під керівництвом доктора Цзин Ван команда порівняла традиційні полікристалічні матеріали з монокристалічними конструкціями, щоб визначити, які моделі внутрішніх напружень найкраще пояснюють передчасний вихід батареї з ладу. Вони відстежували крихітні зміни міжатомної відстані і виявляли місця, де поява тріщин найбільш імовірна.
Дослідження показало, що в старих катодах частинки можуть збільшуватися в об'ємі приблизно на 5-10 відсотків, і ці коливання об'єму вказували на ризик утворення тріщин. Деякі монокристалічні частинки демонструють схоже загальне розширення, але при цьому зазнають набагато більшого локального напруження, оскільки різні ділянки реагують з різною швидкістю.
Дослідження показують, що балансування хімічного складу для запобігання нерівномірній внутрішній напрузі може допомогти уникнути утворення неактивних областей, що скорочують термін служби батареї. Для цього потрібно знайти нові матеріали для виробництва катодів.
Раніше писали, що нові літій-повітряні акумулятори подвоять запас ходу електромобілів і наблизять їх до бензинових. Вчені досягли значного успіху за допомогою спеціальної мембрани.