Исследователи исследуют, как кобальт и никель в катодах аккумуляторных батарей влияют на электрохимические свойства

17.10.2023

В качестве неотъемлемой части своей технологической программы Россия развивает собственное производство литий-ионных аккумуляторов. Несмотря на огромные запасы лития, объемы производства аккумуляторов не соответствуют спросу. Особую актуальность имеет разработка аккумуляторов с высокой плотностью энергии для электромобилей. Этой проблемой занимаются как промышленность, так и наука.

В своей новой работе исследователи из Сколтеха в сотрудничестве с коллегами из Франции, Китая и других стран первыми раскрыли роль кобальта и никеля в электрохимических свойствах катодных материалов. Исследование опубликовано в журнале Nature Materials.

Современные литий-ионные аккумуляторы используют слоистые оксиды лития, никеля, марганца и кобальта в качестве активных материалов положительного электрода (катода). Поскольку никель, марганец и кобальт относятся к одной и той же категории трехмерных переходных металлов, их электронная структура и химические свойства схожи. Они однородно распределены в кристаллической структуре слоистых оксидов, что очень затрудняет различение их роли в электрохимических свойствах материала катода.

Чтобы провести различие между ролями никеля и кобальта, исследователи получили два модельных соединения — литий-никель-марганцевый оксид и литий-кобальт-марганцевый оксид — и внимательно изучили их структуру, состав и электрохимические свойства. Всестороннее исследование этих систем с использованием различных видов спектроскопии, электрохимических тестов и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения позволило команде сравнить два слоя оксидов с точки зрения их локальной атомной структуры, ее эволюции в процессе работы батареи и взаимодействия между наблюдаемыми характеристиками и механическим напряжением, интеркаляция и деинтеркаляция лития, окислительно-восстановительная кинетика и т.д.

“Мы провели исследование с использованием уникального оборудования центра передовых технологий обработки изображений Сколтеха. Это позволило нам изучить атомную структуру материалов для литий-ионных аккумуляторов. Цель состояла в том, чтобы собрать данные о том, как меняется локальная кристаллическая структура материалов во время работы аккумулятора. Такое исследование требует предельной точности и скрупулезности при подготовке образца, эксплуатации оборудования и интерпретации данных”, – сказал Анатолий Морозов, соавтор исследования и младший научный сотрудник Центра энергетической науки и технологий Сколтеха.

“Мы изучили наши результаты с нашими коллегами из Коллеж де Франс, проанализировав не только данные просвечивающей электронной микроскопии, но и данные рентгеновской дифракции и спектроскопии, а также электрохимические измерения. Наконец, мы составили таблицу, обобщающую результаты и подчеркивающую преимущества и недостатки катодных материалов на основе кобальта и никеля. Эти данные будут использованы для оптимизации составов катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии для электромобилей”, – сказал соавтор исследования, профессор Артем Абакумов, возглавляющий Центр энергетических наук и технологий в Сколтехе.

Исследование является частью проекта, связанного с созданием перспективных электрохимических систем накопления энергии посредством направленного проектирования локальной структуры и микроструктуры электродных материалов. Ученые, работающие над этим проектом под руководством профессора Артема Абакумова, разрабатывают основы проектирования электродных материалов высокой емкости и твердых электролитов для создания следующего поколения электрохимических систем накопления энергии с высокой плотностью энергии.

Результаты проекта будут способствовать реализации национальной дорожной карты, направленной на дальнейшее развитие производства и использования электромобилей в России, которая рассчитана на период до 2030 года и предусматривает развитие отечественного производства электромобилей.