Для создания более качественных литий-ионных батарей требуется одновременно учитывать множество факторов, от сохранения электрической и ионной проводимости катода батареи до безопасности ее использования после большого количества циклов.
В рамках нового исследования ученые из Аргоннской национальной лаборатории при Министерстве энергетики США разработали новое покрытие для катода, используя метод окислительного химического осаждения из паровой фазы, что способствует разрешению сразу нескольких проблем, связанных с литий-ионными батареями.
"Полученное нами покрытие позволяет убить одним выстрелом пять или шесть зайцев". Кхалил Амин, выдающийся сотрудник Аргоннской лаборатории и специалист по батареям.
В своих исследованиях Амин и его коллеги использовали частицы открытого в Аргоннской лаборатории материала катода из никеля-марганца-кобальта (NMC) и помещали их в серосодержащий полимер под названием PEDOT. Этот полимер обеспечивает катоду слой защиты от электролита при зарядке и разрядке батареи.
В отличие от традиционных покрытий, обеспечивающих защиту лишь наружной поверхности микрочастиц катода и оставляющих внутреннюю его часть подверженной растрескиванию, покрытие PEDOT способно проникать внутрь частиц катода, создавая дополнительный барьерный слой.
К тому же, хотя PEDOT предотвращает химическое взаимодействие между батареей и электролитом, оно допускает необходимые перемещения ионов и электронов лития для надлежащей работы батареи.
"Данное покрытие пригодно для всех процессов и химических реакций, необходимых для работы батареи, при этом оно предотвращает все потенциальные реакции, вызывающие ухудшение или сбои в ее работе", — говорит химик Аргоннской лаборатории Гуйлианг Шу, ведущий автор исследования.
Покрытие также предотвращает реакцию, вызывающую дезактивацию катода батареи. В ходе такой реакции материал катода переходит в другую форму — шпинель. "Сочетание почти полного отсутствия образования шпинели с другими свойствами делает это покрытие крайне перспективным материалом", — говорит Амин.
Материал PEDOT также продемонстрировал способность предотвращать высвобождение кислорода, что является основным фактором ухудшения характеристик материалов катода из NMC при высоком напряжении. "Покрытие PEDOT также оказалось способным подавлять высвобождение кислорода при зарядке, что приводит к повышению структурной стабильности и безопасности", — говорит Амин.
Амин отметил, что ученые, занимающиеся аккумуляторными батареями, смогут применять данное покрытие в батареях, содержащих материал NMC с повышенным содержанием никеля. "Этот полимер уже давно существует, но мы все еще удивляемся его перспективным возможностям", — говорит он.
По мнению исследователей, при нанесенном покрытии батареи, содержащие NMC, будут либо работать при более высоком напряжении, тем самым повышая выработку энергии, либо срок их службы значительно увеличится (либо все вместе).
При проведении исследований ученые обращались к двум департаментам Министерства энергетики, расположенным в Аргонне: отдел усовершенствованной установки синхротронного излучения и центр наноматериалов. Измерения дифракции жесткого рентгеновского излучения проводились на пучке 11-ID-C на усовершенствованной установке синхротронного излучения, а литография фокусируемым ионным пучком и просвечивающая электронная микроскопия применялись в центре наноматериалов.
