Исследователи из Лаборатории иерархически структурированных материалов Центра инженерных систем и наук Сколтеха и Центра энергетических технологий Сколтеха (институт входит в группу ВЭБ.РФ) совместно с коллегами из МГУ имени М.В. Ломоносова и Исследовательского центра IDEA разработали уникальный метод изучения механической деградации литий-ионных аккумуляторов непосредственно в процессе их работы. С помощью модифицированной ячейки и плоского алмазного наконечника учёным удалось впервые в режиме реального времени зафиксировать, как химические изменения внутри батареи приводят к резкому охрупчиванию её элементов. Результаты исследования, раскрывающие скрытые механизмы старения аккумуляторов и поддержанные грантом РНФ, опубликованы в научном журнале Measurement.
Механическое разрушение катодных материалов с высоким содержанием никеля (NMC811) остаётся одним из главных препятствий на пути к созданию долговечных и безопасных батарей для портативных электронных устройств и электромобилей. В процессе постоянной зарядки и разрядки частицы материала меняют свой объём и форму, что приводит к появлению микротрещин и постепенному выходу аккумулятора из строя. Ранее инженерам приходилось разбирать и высушивать батареи для анализа, однако этот подход сильно искажал реальную картину и создавал искусственные дефекты, не позволяя зафиксировать истинные свойства материалов в агрессивной среде жидкого электролита.
«Мы впервые провели такого рода испытания и смогли количественно оценить изменения механических свойств катодного материала в режиме реального времени при электрохимическом циклировании, — отмечает первый автор статьи, старший научный сотрудник Лаборатории иерархически структурированных материалов Центра инженерных систем и наук Сколтеха Евгений Статник. — В то время как твёрдость и модуль упругости катода оставались практически неизменными на протяжении всего цикла зарядки-разрядки, работа пластической деформации при переходе в высоковольтную фазу H3 резко снижалась — на 28%. Катодный материал не становился мягче, он терял способность пластически деформироваться под механической нагрузкой, из-за чего резко возрос риск растрескивания частиц и разрушения всей структуры при работе выше 4,2 вольт».
В ходе экспериментов исследователи применили плоский цилиндрический индентор вместо стандартного острого наконечника пирамидальной формы. Это инженерное решение позволило равномерно распределить нагрузку по поверхности пористого электрода и получить усреднённые мезомасштабные данные, учитывающие влияние полимерного связующего, углеродных добавок и жидкого электролита. Метод помог последовательно отследить изменения упругости и твёрдости на четырех ключевых этапах фазовых превращений катода при высоком напряжении.
«Нам удалось обойти фундаментальное ограничение герметичности современных аккумуляторов, создав оригинальный дизайн дисковой ячейки формата CR2032 со специальным окном доступа, — рассказывает соавтор исследования, директор Центра энергетических технологий Сколтеха заслуженный профессор Артём Абакумов. — Это позволило одновременно контролировать электрические параметры аккумулятора и проводить наноиндентирование, то есть буквально ″прощупывать″ механический отклик композитного катода алмазным зондом прямо в момент протекания электрохимических реакций».
«Разработанная экспериментальная платформа представляет собой развитие парадигмы operando-исследований сложных электрохимических и механических процессов в литиевых аккумуляторах, — подводит итог соавтор статьи, профессор Центра инженерных систем и наук Сколтеха, руководитель Лаборатории иерархически структурированных материалов Александр Корсунский. — Результаты новых экспериментов дают нам надёжные эталонные параметры, которые критически важны для калибровки и валидации многомасштабных расчетных моделей. Точные количественные данные о потере пластичности катода позволят инженерам более реалистично прогнозировать эволюцию внутренних напряжений и распространение трещин. В конечном счёте это послужит надёжной диагностической основой для оптимизации безопасных окон эксплуатации и поможет производителям целенаправленно конструировать механически устойчивые батареи высокой плотности энергии».
Источник информации: Сколтех
Источник фото: ru.123rf.com
