Ученые из США объяснили, почему монокристаллические батареи электромобилей деградируют быстрее ожидаемого

Проблемы с тяговыми аккумуляторами давно известны: в новостях регулярно всплывают истории о возгораниях, падении емкости и внезапных отказах. И хотя производители постоянно улучшают технологии, вопрос доверия к электромобилям по-прежнему упирается в ресурс и безопасность батареи.

Теперь у ученых появился более четкий ответ на одну из самых «упрямых» загадок старения — причем на уровне, который измеряется буквально нанометрами. Речь идет о том, почему перспективные литий-ионные решения, считавшиеся более живучими, в реальности тоже деградируют.

Кто и что именно выяснил

Исследование провели специалисты Аргоннской национальной лаборатории (США) совместно с Притцкеровской школой молекулярной инженерии при Чикагском университете. Их работа посвящена литий-ионным аккумуляторам с высоким содержанием никеля — именно такие решения широко применяются в электромобилях.

Как отмечают авторы, результаты способны повлиять на будущие подходы к проектированию батарей: оказалось, что прежние «рецепты» не всегда подходят для новых типов катодов.

Поликристалл против монокристалла: где ожидания не совпали с реальностью

В классических никельсодержащих батареях часто используются поликристаллические положительные электроды: они состоят из множества мелких кристаллов. У такого подхода есть слабое место — границы зерен, где со временем могут появляться трещины.

Чтобы уйти от растрескивания и продлить срок службы, разработчики начали активнее переходить к монокристаллическим катодам. Логика понятна: нет границ зерен — значит, меньше причин для разрушения. Но на практике выяснилось, что монокристалл тоже стареет, а иногда и весьма заметно. Это и смущало ученых, и настораживало рынок.

Почему это важно для массовой электрификации

Карил Амин (Аргоннская лаборатория, также со-профессор Чикагского университета) прямо связывает прогресс электрификации с доверием людей: если потребитель сомневается в долговечности и безопасности батареи, он не спешит пересаживаться на электромобиль.

Главная причина деградации: неравномерная реакция внутри частицы

Команда пришла к выводу, что к монокристаллическим катодам долгое время применяли подходы, сформированные на опыте поликристаллических материалов. По словам первого автора исследования Цзин Вана, это было ошибкой: механизм старения у монокристаллических частиц принципиально иной.

С помощью синхротронной рентгеновской технологии и электронной микроскопии высокого разрешения ученые увидели ключевую картину: разрушение монокристаллического положительного электрода запускается из-за неравномерности реакции в разных зонах частицы. Скорости процессов внутри одной и той же монокристаллической частицы отличаются, из-за чего возникает внутреннее напряжение. Итог — частица может «рваться» изнутри.

• реакция протекает неодинаково в разных областях монокристалла;
• появляется внутреннее механическое напряжение;
• частица повреждается и разрушается изнутри, что ускоряет старение.

Тонгчао Лю, химик Аргоннской лаборатории, подчеркивает: работа показала прямую связь между составом материала и тем, как именно развивается деградация.

Неожиданный поворот: роль кобальта и марганца

Исследование также заставило иначе взглянуть на привычные представления о компонентах катода. В поликристаллических положительных электродах кобальт часто воспринимали как фактор, усиливающий растрескивание. Однако он одновременно помогает удерживать структуру стабильной и снижать риск структурных нарушений.

А вот в монокристаллических катодах картина оказалась обратной. Команда отдельно сравнила никель-кобальтовые и никель-марганцевые варианты и пришла к выводу:

1. марганец способен провоцировать более серьезные механические повреждения;
2. кобальт, напротив, помогает увеличить срок службы аккумулятора.

Что дальше: ресурс есть, но цена кусается

Ширли Мэн, директор Исследовательского альянса по накоплению энергии Аргоннской лаборатории, отмечает: нужны не только новые стратегии проектирования, но и новые материалы, которые будут соответствовать реальным механизмам старения. Чем точнее понят процесс деградации, тем проще создавать высокоэффективные катодные решения.

При этом у кобальта есть очевидный минус — высокая стоимость. Цзин Ван указывает на следующую практическую задачу: найти недорогие альтернативы, которые смогут повторить стабилизирующий эффект кобальта, но не раздуют себестоимость батарей. Амин резюмирует это просто: технологический прогресс идет по кругу — закрыли одну проблему, значит, пора браться за следующую.

Почему выводы важны именно сейчас

Как отмечается со ссылкой на журнал «Nature Nanotechnology», в период, когда популярность электромобилей напрямую зависит от доверия покупателей к батарее, такие результаты дают более понятную техническую «дорожную карту» для создания более безопасных и долговечных аккумуляторов. Павел Афанасьев