Найдена причина потери емкости металл-оксидных материалов для батарей

Сотрудники Брукхейвенской Национальной Лаборатории описали сценарий, потенциально объясняющий причину быстрой потери емкости в металл-оксидных аккумуляторных материалах.

За счет большой энергоемкости, электроды на основе металлических оксидов, сульфидов и фторидов считаются перспективными компонентами литий-ионных батарей электромобилей и других систем. Проблема заключается в быстрой потере мощности. Рассматривая электрод из магнетита, ученые нашли потенциальное объяснение явлению, сообщает sciencedaily.com. Результаты исследования представлены в Nature Communications.

«Магнетит вмещает больше ионов лития, в сравнении с традиционными аналогами, что увеличивает количество хранимой энергии, — сказал ведущий автор работы, Донг Су. – Однако, емкость быстро падает и зависит от плотности тока. Так, наши электрохимические тесту показали быстрое ухудшение показателей за первые 10 зарядок».

Для объяснения явления ученые охарактеризовали кристаллическую структуру и химическую природу магнетита в аккумуляторе после 100 циклов. Команда использовала просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ) и синхротронную рентгеновскую спектроскопию поглощения. Методики показали, что магнетит полностью распадается на железные наночастицы и оксид лития при первой разрядке. Реакция не полностью обратима. При последующей зарядке остается металлическое железо и оксид лития. Кроме того, начальная «шпинельная» структура магнетита превращается в «каменную соль». Они отличаются по положению атомов железа. При последующих зарядках оксид железа взаимодействует с литием, формируя композит, накапливающийся в процессе эксплуатации. Ученые также обнаружили распад электролита на последних циклах.

Результаты легли в основу объяснения потери емкости.

«Оксид лития имеет низкую электропроводность. Его накопление создает барьер для электронов, движущихся между электродами, — сказал Суён Хван, один из ведущих авторов работы. – Мы называем его пассивирующим слоем. Аналогично, ионную проводимость ухудшает разложение электролита. Накопление препятствий блокирует частицы на пути к участкам электрохимических реакций».

Исследователи отметили, что эксплуатация батареи при низких токах частично восстанавливает мощность. Скорость зарядки замедляется, обеспечивая время для транспорта электронов. Но для полного решения проблемы нужны другие подходы. Среди них авторы назвали добавление других элементов в электродные материалы и замену электролита.