Цивилизация
Исследователи из Сколковского института науки и технологий разработали новый подход к повышению долговечности литий-ионных аккумуляторов — ключевого элемента электромобилей, бытовой электроники и систем хранения энергии. Ученые показали, что добавление всего 0,5 мольных процента оксида тантала (Ta₂O₅) в катодный материал почти вдвое замедляет потерю емкости за цикл. Об этом «Газете.Ru» сообщили в пресс-службе образовательного учреждения.
Современные аккумуляторы используют слоистые оксиды с повышенным содержанием никеля, поскольку такие катоды позволяют хранить больше энергии. Однако высокая доля никеля делает материал уязвимым: его частицы растрескиваются в процессе работы, а структура постепенно разрушается. Это приводит к ускоренной деградации аккумулятора — проблеме, которая особенно критична для электромобилей, где от ресурсов батареи зависит срок службы всей машины.
«Мы разработали математическую модель, позволяющую предсказывать, как будет распределяться никель, марганец и кобальт внутри сферических частиц катода при разных режимах синтеза, — рассказала аспирантка программы «Науки о материалах» Сколтеха Люция Ситникова. — С помощью этой модели мы смогли целенаправленно синтезировать три типа градиентных структур. Экспериментальные данные подтвердили наши расчеты».
Однако даже идеально созданный градиент может разрушиться на финальных стадиях высокотемпературного производства, когда в структуру вводят литий. Чтобы сохранить нужное распределение элементов, исследователи решили модифицировать катод добавлением Ta₂O₅.
«Мы обнаружили, что тантал не просто допирует структуру, а сегрегируется на поверхности первичных кристаллитов и вызывает контролируемое катионное разупорядочение в слоистой решетке, — пояснила ведущий автор работы, старший научный сотрудник Центра энергетических технологий Александра Савина. — Тантал формирует поверхностный слой толщиной в несколько нанометров, который эпитаксиально продолжает структуру частиц. Это позволяет укрепить поверхность и стабилизировать ее поведение».
Квантово-химические расчеты подтвердили, что такая сегрегация тантала термодинамически выгодна.
«Тантал эффективно препятствует миграции ионов никеля и подавляет подвижность границ зерен. Это не только сохраняет концентрационный градиент, но и предотвращает укрупнение частиц. В результате циклическая стабильность и термостойкость катода существенно повышаются», — отметил научный руководитель проекта, заслуженный профессор Центра энергетических технологий Сколтеха Артем Абакумов.
Разработанный подход уже выходит за рамки фундаментальной науки. На базе полученных результатов в Сколтехе планируется выпуск пилотных партий нового материала NMC90-GTa на опытной линии мощностью до 100 тонн в год. Такая технология может стать основой для создания более долговечных и безопасных аккумуляторов нового поколения.
Ранее в России нашли способ создания безопасных и дешевых аккумуляторов с быстрой зарядкой.
