В ходе новаторского исследования ученые совершили значительный прорыв в понимании и преодолении проблем, связанных с катодными материалами с высоким содержанием никеля, используемыми в литий-ионных аккумуляторах.
Эти материалы обладают потенциалом для достижения высоких напряжений и емкостей, однако их применение в реальных условиях было ограничено из-за структурных проблем и кислородного голодания. Однако теперь исследователи выявили решающую роль образования "кислородных дыр" в деградации катодов LiNiO2, что ускоряет выделение кислорода и приводит к дальнейшей деградации катодного материала.
В исследовании, проведенном группой ученых из Бирмингемского и Кембриджского университетов, для изучения поведения LiNiO2-катодов в процессе зарядки использовались самые современные вычислительные методы на региональных суперкомпьютерах Великобритании. Исследователи обнаружили, что в то время как заряд ионов никеля остается относительно неизменным и составляет около +2, заряд кислорода изменяется от -1,5 до примерно -1. Этот вывод опровергает традиционную модель, согласно которой кислород остается на уровне -2 в течение всего времени зарядки.
Соавтор работы профессор Эндрю Дж. Моррис поясняет: "Эти изменения показывают, что кислород не очень стабилен, и мы нашли путь, по которому он может покинуть богатый никелем катод". Исследователи сравнили свои расчеты с экспериментальными данными и обнаружили, что их результаты хорошо согласуются с наблюдениями. Они предложили механизм потери кислорода в ходе этого процесса, который заключается в объединении кислородных радикалов с образованием пероксид-иона, который затем превращается в газообразный кислород, оставляя вакансии в материале. При этом выделяется энергия и образуется синглетный кислород - высокореакционная форма кислорода.
Последствия этого открытия весьма значительны. Добавление легирующих элементов, снижающих окислительно-восстановительные процессы кислорода и способствующих окислительно-восстановительным процессам переходных металлов, особенно на поверхности, позволит повысить стабильность и долговечность литий-ионных батарей такого типа. Это открытие открывает путь к созданию более эффективных и надежных систем хранения энергии.
Доктор Анналена Жанрейт-Шривер, первый автор работы, подчеркивает потенциальное влияние этого исследования: "Потенциально, добавляя легирующие вещества, которые снижают окислительно-восстановительные процессы кислорода и одновременно способствуют окислению переходных металлов, особенно на поверхности, уменьшая генерацию синглетного кислорода, мы можем повысить стабильность и долговечность литий-ионных батарей такого типа".
Литий-ионные аккумуляторы широко применяются в различных областях благодаря высокой плотности энергии и возможности перезарядки. Однако стабильность катодных материалов остается постоянной проблемой, влияющей на общую производительность и срок службы таких батарей. Прорывное открытие позволяет решить эти проблемы и раскрыть весь потенциал литий-ионных батарей.
