Чтобы поддержать дальнейшее развитие электронной промышленности, исследователи в области энергетики пытаются разработать новые технологии аккумуляторов, которые могли бы заряжаться быстрее, обеспечивать питание устройств в течение большего количества времени и иметь более длительный срок службы. Некоторые из наиболее перспективных новых аккумуляторов, которые могли бы соответствовать этим требованиям, — это полностью твердотельные аккумуляторы (ASSB).
ASSB — это батареи, содержащие твердые электролиты , в отличие от жидких электролитов, используемых в обычных аккумуляторных технологиях. По сравнению с литий-ионными (Li-ion) батареями, которые в настоящее время являются наиболее широко используемыми перезаряжаемыми батареями , ASSB могут быть безопаснее, поскольку твердые электролиты, как правило, менее склонны к возгоранию, а также могут хранить больше энергии (т. е. иметь более высокую плотность энергии). Центральным компонентом этих батарей является так называемый катодный активный материал (CAM), компонент, который хранит и высвобождает ионы лития. Слоистые материалы, богатые никелем (Ni), были особенно многообещающими CAM, однако было обнаружено, что они также демонстрируют существенные ограничения. В частности, прошлые исследования показали, что эти катоды могут снижать способность ASSB удерживать заряд с течением времени, процесс, известный как затухание емкости. Уменьшение емкости, которое они вызывают, было связано с химическими реакциями на границе между катодами, богатыми Ni, и электролитами, а также с расширением, сжатием и распадом частиц катода.
Исследователи из Университета Ханьянг в Южной Корее недавно провели исследование, чтобы лучше понять, как количество Ni в CAM влияет на деградацию ASSB. Их выводы, опубликованные в Nature Energy , послужили основой для разработки новых катодов с высоким содержанием Ni, которые могут повысить производительность и срок службы ASSB.
«ASSB, включающие богатые никелем слоистые катодные активные материалы (CAM) и сульфидные твердые электролиты, являются перспективными кандидатами для батарей следующего поколения с высокой плотностью энергии и безопасностью», — написали Нам-Юнг Пак, Хан-Ук Ли и их коллеги в своей статье. «Однако из-за поверхностной деградации на границе CAM–электролит и серьезных изменений объема решетки в CAM происходит сильное снижение емкости, что приводит к изоляции внутренних частиц и отсоединению CAM от электролита».
Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01726-8
В рамках своего исследования Пак, Ли и его коллеги сначала приступили к выявлению каждого фактора, влияющего на деградацию ASSB с Ni-богатыми CAM, и количественной оценке их эффектов. Для этого они синтезировали четыре различных типа Ni-богатых катодов с содержанием Ni от 80 до 95%. Они включали в себя чистые катодные материалы Li[Ni x Co y Al 1−x−y ]O 2 , покрытые бором CAM, легированные Nb CAM и CAMS, которые были покрыты бором и легированными Nb CAM. Затем они внимательно изучили, как эти различные катодные материалы и их концентрации Ni повлияли на деградацию ASSB. «Мы количественно оценили факторы снижения емкости Ni-богатых Li[Ni x Co y Al 1 −x−y ]O 2 композитных ASSB-катодов в зависимости от содержания Ni», — написали Парк, Ли и их коллеги. «Было обнаружено, что деградация поверхности на границе раздела CAM–электролит является основной причиной снижения емкости в CAM с содержанием Ni 80%, тогда как внутренняя изоляция частиц и отсоединение CAM от электролита играют существенную роль, когда содержание Ni увеличивается до 85% и более».
В целом, исследователи обнаружили, что поверхностная деградация на границе между богатыми Ni катодными материалами и электролитом была основной причиной деградации емкости ASSB. С другой стороны, было обнаружено, что изоляция внутренних частиц и их отрыв от катодных материалов влияет на емкость батарей только тогда, когда катоды содержат более 85% Ni.
Парк, Ли и его коллеги впоследствии использовали свои открытия для разработки новых CAM, обогащенных Ni, с измененной поверхностью и морфологией. Эти материалы имеют столбчатые структуры, которые, как было обнаружено, эффективно уменьшают отрыв частиц от катодных материалов и внутреннюю изоляцию частиц. При развертывании в полной ячейке пакетного типа с анодным электродом C/Ag эти новые катоды сохранили 80,2% своей первоначальной емкости после 300 рабочих циклов. Ценные знания, собранные этой исследовательской группой, и разработанные ими катоды вскоре могут помочь улучшить производительность ASSB, потенциально способствуя их будущему развертыванию и широкому внедрению.
Дополнительная информация: Nam-Yung Park et al, Высокоэнергетические, долговечные катодные материалы с высоким содержанием никеля и столбчатой структурой для твердотельных аккумуляторов, Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01726-8 .Информация журнала: Nature Energy
© 2025 Наука X Сеть
Исследуйте дальше — Улучшенные катодные материалы могут увеличить дальность поездки электромобиля