Создание более совершенной литий-ионной батареи включает одновременное рассмотрение множества факторов, от поддержания катода батареи с электрической и ионной проводимостью до обеспечения безопасности батареи после многих циклов.
В новом открытии ученые Университета.S.
Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики США (DOE) разработала новое катодное покрытие, используя метод окислительного химического осаждения из паровой фазы, который может помочь решить эти и некоторые другие потенциальные проблемы с литий-ионными батареями одним движением.
"Обнаруженное нами покрытие действительно поражает пять или шесть зайцев одним выстрелом."Халил Амин, выдающийся аргоннский научный сотрудник и специалист по аккумуляторным батареям.
В ходе исследования Амин и его коллеги-исследователи взяли частицы новаторского никель-марганцево-кобальтового материала Аргонна (NMC) и заключили их в капсулу с серосодержащим полимером под названием PEDOT. Этот полимер обеспечивает катоду слой защиты от электролита батареи, когда батарея заряжается и разряжается.
В отличие от обычных покрытий, которые защищают только внешнюю поверхность катодных частиц микронного размера и оставляют внутреннюю часть уязвимой для растрескивания, покрытие PEDOT имело способность проникать внутрь катодных частиц, добавляя дополнительный слой экранирования.
Кроме того, хотя PEDOT предотвращает химическое взаимодействие между батареей и электролитом, он обеспечивает необходимый транспорт ионов и электронов лития, который требуется батарее для функционирования.
«Это покрытие, по сути, благоприятно для всех процессов и химии, которые заставляют батарею работать, и недружелюбно ко всем потенциальным реакциям, которые могут привести к ухудшению или неисправности батареи», – сказал аргоннский химик Гуйлян Сюй, первый автор исследования.
Покрытие также в значительной степени предотвращает другую реакцию, которая вызывает деактивацию катода батареи. В этой реакции катодный материал превращается в другую форму, называемую шпинелью. «Сочетание почти полного отсутствия шпинели и других свойств делает это покрытие очень интересным материалом», – сказал Амин.
Материал PEDOT также продемонстрировал способность предотвращать выделение кислорода, что является основным фактором деградации катодных материалов NMC при высоком напряжении. «Также было обнаружено, что это покрытие PEDOT может подавлять выделение кислорода во время зарядки, что приводит к лучшей структурной стабильности, а также повышает безопасность», – сказал Амин.
Амин указал, что ученые, занимающиеся аккумуляторными батареями, вероятно, могли бы расширить покрытие для использования в богатых никелем батареях, содержащих NMC. «Этот полимер существует уже некоторое время, но мы все еще были удивлены, увидев, что он обладает всеми обнадеживающими эффектами», – сказал он.
Исследователи полагают, что с нанесенным покрытием батареи, содержащие NMC, могут либо работать при более высоких напряжениях, что увеличивает их выходную мощность, либо имеют более длительный срок службы, либо и то, и другое.
Для проведения исследования ученые использовали два офиса Министерства энергетики США, расположенные в Аргонне: Усовершенствованный источник фотонов (APS) и Центр наноразмерных материалов (CNM).
Измерения дифракции рентгеновских лучей высоких энергий на месте были выполнены на канале 11-ID-C APS, а литография сфокусированным ионным пучком и просвечивающая электронная микроскопия были выполнены в CNM.