Никель не только увеличивает емкость батарей, но и мешает их разрядке

Исследование материала литий-ионных батарей на наноуровне выявило причину негативного воздействия никеля на скорость зарядки. Уже давно было известно, что добавление этого металла увеличивает емкость и напряжение аккумуляторов, однако ученые не находили объяснения быстрому ухудшению рабочих характеристик таких устройств в процессе эксплуатации.

Для исследования электродных материалов, состоящих из слоев наночастиц оксида лития, никеля и марганца, сотрудники Pacific Northwest National Laboratory Министерства энергетики США применили технологию трехмерной композиционной картографии. Используя в качестве объекта наночастицу размером примерно 200 нм они сделали 50 снимков под разными углами и реконструировали на их основе объемную карту поверхностного слоя. На ней видно, как никель формирует сгустки на поверхности литий-марганцевого оксида, блокируя каналы, через которые проходят ионы лития при зарядке и разрядке батареи.

Проведенные расчеты прояснили физику данного явления. Было показано, что никель легче распространяется по каналам, чем литий, поэтому он «вымывается» из слоев оксида марганца и создает заторы на поверхности. В контрольных экспериментах по изготовлению наночастиц различными методами, подтвердилось что, чем дольше они подвергаются действию высоких температур, тем больше никеля вымывается, и тем хуже электроды проходят тесты на многократную зарядку-разрядку.

Об этом исследовании, создающем предпосылки для дальнейшего совершенствования электродных материалов, рассказано в публикации в журнале Nano Letters.