Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Стэнфордского университета разработали инновационный метод нагрева при производстве катодов — и это может кардинально изменить рынок литий‑ионных (Li‑ion) аккумуляторов.
В чём проблема?
Литий‑ионные аккумуляторы со временем теряют ёмкость. Причина — микроскопические трещины в катодах (положительных электродах), которые появляются после многократных циклов зарядки и разрядки. Эти крошечные повреждения создают внутреннее напряжение и снижают способность батареи накапливать энергию.
Решение: нагрев с умом
Учёные предложили изменить процесс нагрева богатых никелем слоистых оксидов катодных материалов при производстве. Вместо стандартного подхода они применили двухэтапный режим:
Медленный нагрев — позволяет избежать формирования пористой внутренней структуры.
Быстрое повышение температуры — способствует равномерному распределению гидроксида лития вокруг частиц.
В результате удалось создать более однородную структуру катода внутри частиц. Это снизило нагрузку и предотвратило образование микротрещин, которые обычно сокращают срок службы аккумулятора.
Впечатляющие результаты
После 500 циклов зарядки аккумуляторы, изготовленные по новой технологии, сохранили примерно 93 % первоначальной энергоёмкости. Это сопоставимо с лучшими показателями аналогичных технологий — но без дополнительных затрат и сложных доработок.
Хари Рамачандран, доктор философии, бывший выпускник Стэнфорда и старший инженер‑исследователь Tesla, прокомментировал открытие:
«В отрасли считалось само собой разумеющимся, что эта проблема существует и что нужно искать дорогостоящие способы её решения. Но мы нашли способ использовать самые простые исходные материалы и создавать более качественные аккумуляторы без дополнительных сложностей».
Уильям Чуэ, доктор философии, директор Стэнфордского института энергетики Precourt и Центра аккумуляторных батарей SLAC‑Стэнфорд, добавил:
«Наша команда нашла способ избежать дополнительных производственных этапов и связанных с ними затрат, но при этом увеличить срок службы аккумуляторов».
Как учёные это поняли?
Чтобы детально изучить влияние нагрева на формирование катода, команда сотрудничала с Брукхейвенской национальной лабораторией. Исследователи применили несколько передовых методов:
Просвечивающую рентгеновскую микроскопию — для наблюдения за химическими реакциями в реальном времени.
Рентгеновскую абсорбционную спектроскопию и рентгеновскую дифракцию на Стэнфордском источнике синхротронного излучения (SSRL) — для отслеживания структурных и химических изменений в процессе синтеза катода.
Донгун Ым, доктор философии, постдокторант Стэнфордского университета и SLAC, первый автор статьи, подытожил:
«Иногда самая простая ручка оказывается самой мощной. Тщательно контролируя этап нагрева, мы смогли значительно повысить стабильность батареи, не меняя её химический состав».
Перспективы технологии
Главное преимущество нового метода — его простота. Он не требует:
дополнительных производственных материалов;
сложной доработки конструкции аккумуляторов.
Теперь учёные планируют:
масштабировать процесс для промышленных печей;
проверить, можно ли применить аналогичный подход для улучшения других типов аккумуляторов.
Технология открывает путь к созданию более долговечных и дешёвых литий‑ионных батарей — они пригодятся в системах хранения энергии, центрах обработки данных и, конечно, в электромобилях.