Дослідження: водень допоможе продовжити термін служби акумуляторів для авто

Нове дослідження розкриває механізм, орієнтований на водень, який викликає деградацію в літій-іонних батареях, що живлять електромобілі

Хоча літій-іонна батарея може допомогти врятувати планету, вона в певному сенсі схожа на будь-яку іншу батарею: вона деградує з часом і в процесі експлуатації, скорочуючи термін її служби.

Літій-іонні акумулятори не лише забезпечують більшу частину нашого цифрового та мобільного способу життя, але й живлять більшість електромобілів (EV). З цієї причини продовження терміну служби батареї має вирішальне значення для широкого розповсюдження електромобілів і переходу від автомобілів, що працюють на викопному паливі. Вчені працюють над пошуком причин деградації акумуляторів з метою продовження терміну їхньої служби.

Зокрема, вчені з Аргонської національної лабораторії Міністерства енергетики США (DOE) співпрацюють з іншими американськими лабораторіями та академічними установами для вивчення явища, яке називається саморозрядом. Це серія хімічних реакцій в акумуляторі, які з часом призводять до втрати продуктивності, скорочуючи термін служби батареї.

“Зменшуючи саморозряд, ми можемо створити меншу, легшу і дешевшу батарею, не жертвуючи при цьому продуктивністю акумулятора наприкінці терміну служби”. – Старший хімік Аргонського інституту Зонхай Чен (Zonghai Chen)

Під час саморозряду заряджена літій-іонна батарея втрачає накопичену енергію, навіть коли вона не використовується. Наприклад, електромобіль, який простояв місяць або більше, може не завестися через низьку напругу та заряд акумулятора.

“Саморозряд – це явище, з яким стикаються всі електрохімічні пристрої, що перезаряджаються, – каже Зонхай Чен, старший хімік з Аргонни. “Процес повільно витрачає дорогоцінні функціональні матеріали акумулятора і відкладає небажані побічні продукти на поверхні компонентів акумулятора. Це призводить до постійного погіршення продуктивності батареї”.

Щоб знайти причину саморозряду, вченим необхідно визначити складні хімічні механізми, які запускають процес деградації в акумуляторі. Літій-іонні акумулятори перезаряджаються і використовують іони літію для зберігання енергії. Катод і електроліт – два ключові компоненти літій-іонних акумуляторів. На довговічність батареї може впливати деградація катодів.

Незважаючи на те, що вчені досягли значного прогресу в розумінні літій-іонних акумуляторів, тривають дебати про те, що викликає явище саморозряду.

Переважна думка про деградацію катодів зосереджена на двох аспектах: втрата літію або виділення кисню з катодів. Тим часом теоретичні дослідження передбачають, що електроліти мають тенденцію розкладатися на поверхні катодів. Це створило критичну прогалину в знаннях про розкладання електроліту і деградацію катода в літій-іонних батареях.

Нещодавно дослідницька група з кількох академічних університетів і національних лабораторій, включаючи Аргонський університет, Національну прискорювальну лабораторію SLAC Міністерства енергетики США і Дослідницьку лабораторію армії США (ARL), опублікувала в журналі Science нову статтю, яка заповнює цю прогалину в знаннях. Це дослідження підтверджує механізм катодного гідрування як шлях до саморозряду, що призводить до деградації акумуляторів. Дослідження було профінансовано Управлінням енергоефективності та відновлюваної енергетики Міністерства енергетики США, відділ транспортних технологій.

Вчені кажуть, що вони не змогли б підтвердити свої висновки без доступу до вдосконаленого джерела фотонів (APS) в Аргонне, одного з найкращих у світі високоенергетичних джерел рентгенівського випромінювання на основі кільцевих накопичувачів. ДФД є об’єктом, що використовується Управлінням науки Міністерства енергетики США. Джерела світла використовують електрони, що обертаються в накопичувальному кільці зі швидкістю, близькою до швидкості світла, для виробництва рентгенівських променів, які дозволяють вченим розкрити внутрішню будову акумулятора на атомному рівні.

“Ми глибоко вдячні найсучаснішому рентгенівському обладнанню та підтримці, яку надає нам Advanced Photon Source. Це ідеальне поєднання рентгенівських досліджень та електрохімії уможливило наші відкриття щодо того, як відбувається катодне гідрування в літій-іонних акумуляторах і як воно впливає на саморозряд”, – сказав керівник дослідження Ганг Ван (Gang Wan), науковий співробітник фізичного факультету Стенфордського університету.

Новий шлях до саморозряду, що призводить до деградації батареї

Хоча внутрішня робота батареї є більш складною, вона в основному перетворює електрохімічну енергію безпосередньо в електричну. Батареї складаються з анода, електроліту, сепаратора і катода.

Електроліт переносить іони, або частинки, що несуть заряд, між катодом і анодом, які зберігають літій. Саморозряд відбувається як на катоді, так і на аноді. Матеріал катода має вирішальне значення, оскільки він визначає, скільки енергії може зберігати батарея. У своєму новому дослідженні команда використовувала шаруваті оксиди перехідних металів літію, прототип катодного матеріалу.

“Пошук правильної хімії для цих катодних матеріалів необхідний для підвищення хімічної стабільності батареї та зменшення швидкості саморозряду”, – сказав співавтор дослідження Майкл Ф. Тоні, професор хімічної інженерії та матеріалознавства і науковий співробітник Інституту відновлюваної та сталої енергетики в Університеті Колорадо в Боулдері. “Деградація катода скорочує термін служби батареї”.

У своєму дослідженні ця команда виявила експериментальні та обчислювальні докази механізму, який запускає саморозряд: катодне гідрування, або процес динамічного перенесення протонів і електронів з розчинника електроліту у високозаряджені шаруваті оксиди на катоді. Цей механізм пояснює хімічну природу продуктів забруднення на катоді, які призводять до деградації акумулятора.

Поряд з попередньою фундаментальною роботою Чена, в якій досліджувався механізм розкладання катодних матеріалів за допомогою високоенергетичної рентгенівської дифракції, це нове дослідження проливає світло на механізм деградації катодів, заснований на гідруванні.

На основі отриманих результатів вчені можуть надалі розробляти висхідні підходи для зменшення саморозряду та деградації катодів з метою подовження терміну служби акумуляторів.

“Зменшивши саморозряд, ми зможемо розробити меншу, легшу і дешевшу батарею, не жертвуючи при цьому продуктивністю батареї в кінці терміну служби”, – сказав Чен.

Удосконалене джерело фотонів допомагає підтвердити результати досліджень
Вчені з Аргоннського пучка Ченг-Джун Сун, Шеллі Келлі та Чжан Чжан використовували APS разом з Ваном для проведення експериментів з рентгенівської спектроскопії та розсіювання, які підтвердили історичні висновки.

“Вимірювання рентгенівської спектроскопії дозволяють отримати атомарне уявлення про атоми нікелю, марганцю і кобальту в катоді”, – сказала Келлі. Використовуючи APS, ми змогли побачити ефект накопичення протонів на поверхні катода, що в кінцевому підсумку призводить до саморозряду”.

APS, який за звичайний рік приймає понад 5500 вчених з усього світу, зараз проходить масштабну модернізацію, яка замінить нинішнє кільце накопичувача електронів на нову, більш потужну модель. Після завершення модернізації у 2024 році яскравість рентгенівських променів APS збільшиться у 500 разів.

“Дослідницька група, до складу якої входять багаторічні користувачі APS, з нетерпінням чекає на нові захоплюючі можливості, які відкриває модернізація APS для вирішення грандіозних завдань в енергетичних науках, в тому числі для створення кращих батарей”, – сказав Ван.

Серед інших старших співавторів – Олег Бородін, науковець ARL, і Канг Сюй, член Товариства дослідження матеріалів і Електрохімічного товариства, почесний член ARL, колишній керівник групи в ARL, а нині головний науковий співробітник SES AI.

Дослідницька група присвятила свою роботу покійному Джорджу Крабтрі і покійному Пітеру Фагуї. Крабтрі, старший науковий співробітник і заслужений науковий співробітник Аргонського університету, був директором Об’єднаного центру досліджень у галузі зберігання енергії Міністерства енергетики США з 2012 по 2023 рік. Фагуй, електрохімік з DOE, був керівником проекту DOE в цьому дослідженні.

Про вдосконалене джерело фотонів

Удосконалене джерело фотонів (ДФД) в Аргонській національній лабораторії Міністерства енергетики США є одним з найпродуктивніших у світі джерел рентгенівського випромінювання. APS забезпечує високояскравими рентгенівськими променями різноманітну спільноту дослідників у галузі матеріалознавства, хімії, фізики конденсованих середовищ, наук про життя та навколишнє середовище, а також у прикладних дослідженнях. Рентгенівське випромінювання ідеально підходить для дослідження матеріалів і біологічних структур, розподілу елементів, хімічного, магнітного та електронного станів, а також широкого спектру технологічно важливих інженерних систем – від акумуляторів до паливних інжекторів – які є основою економічного, технологічного та фізичного добробуту нашої країни. Щороку понад 5 000 дослідників використовують АПС для підготовки понад 2 000 публікацій, в яких детально описують важливі відкриття, і відкривають більше життєво важливих біологічних білкових структур, ніж користувачі будь-якої іншої дослідницької установки з рентгенівським джерелом світла. Науковці та інженери APS впроваджують інноваційні технології, які лежать в основі вдосконалення прискорювачів і джерел світла. Сюди входять пристрої введення, які виробляють рентгенівське випромінювання надзвичайної яскравості, що цінується дослідниками, лінзи, які фокусують рентгенівське випромінювання до кількох нанометрів, прилади, які максимізують взаємодію рентгенівського випромінювання зі зразками, що вивчаються, а також програмне забезпечення, яке збирає і управляє величезною кількістю даних, отриманих в результаті досліджень на АПС.

У цьому дослідженні були використані ресурси Удосконаленого джерела фотонів, що є користувацьким об’єктом Управління науки Міністерства енергетики США, яким керує Аргонська національна лабораторія в рамках контракту № DE-AC02-06CH11357.