Исследование в Мичигане обнаружило трещину в Ли

Согласно исследованию, проведенному в Мичиганском университете, трещины на катодах литий-ионных аккумуляторов не только приносят вред, но и сокращают время их зарядки. Это противоречит мнению многих производителей электромобилей, которые стараются свести к минимуму образование трещин, поскольку это снижает срок службы аккумуляторов. Статья об этой работе в открытом доступе опубликована в журнале RSC Energy & Environmental Science.

Поликристаллические вторичные частицы Li(Ni,Mn,Co)O2 (NMC) являются наиболее распространенными катодными материалами для литий-ионных аккумуляторов. Считается, что во время электрохимического (разрядного) заряда литий диффундирует через объем и входит (оставляет) вторичную частицу на поверхности. Согласно этой модели, более мелкие частицы будут вращаться быстрее из-за более короткой диффузионной длины и большего отношения площади поверхности к объему. В этой работе мы оцениваем это широко распространенное предположение, разрабатывая новую высокопроизводительную одночастичную электрохимическую платформу с использованием многоэлектродной матрицы из нейробиологии. Измеряя время реакции и диффузии для 21 отдельной частицы в жидких электролитах, мы не обнаружили корреляции между размером частиц и временем реакции или диффузии, что резко контрастирует с преобладающей моделью транспорта лития.

Мы предполагаем, что электрохимические реакции происходят внутри вторичных частиц, вероятно, за счет проникновения электролита в трещины. Наша высокопроизводительная одночастичная электрохимическая платформа открывает новые горизонты для надежного статистического количественного определения отдельных частиц в электрохимических системах.

Предлагаемый механизм независимого от размера времени реакции и диффузии(а) Стандартная модель транспорта лития на уровне частиц предполагает, что литий попадает на поверхность вторичных частиц и диффундирует в объем. В результате эффективная диффузионная длина увеличивается с увеличением диаметра вторичных частиц.(б) Мин и др. предполагают, что соответствующий масштаб длины (rEffective) намного короче радиуса вторичной частицы и не зависит от диаметра вторичной частицы. Одна из возможностей заключается в том, что электролит проникает в частицу из-за межкристаллитного растрескивания. Мин и др.

Команда считает, что полученные результаты применимы к более чем половине всех аккумуляторов электромобилей, в которых катод состоит из триллионов микроскопических частиц, состоящих либо из оксида лития, никеля, марганца, кобальта, либо оксида лития, никеля, кобальта, алюминия.

Теоретически скорость, с которой заряжается катод, зависит от соотношения поверхности и объема частиц. Частицы меньшего размера должны заряжаться быстрее, чем частицы большего размера, поскольку они имеют большую площадь поверхности по сравнению с объемом, поэтому ионы лития имеют более короткие расстояния для диффузии через них.

Однако традиционные методы не могут напрямую измерить зарядные свойства отдельных катодных частиц, а только среднее значение для всех частиц, составляющих катод батареи. Это ограничение означает, что широко распространенное соотношение между скоростью зарядки и размером катодных частиц было всего лишь предположением.

Измерение скорости зарядки отдельных катодных частиц стало ключом к обнаружению положительных сторон растрескивания катодов. Исследователи достигли этого, поместив частицы в многоэлектродную решетку — устройство, которое обычно используется нейробиологами для изучения того, как отдельные клетки мозга передают электрические сигналы.

Проектирование и изготовление многоэлектродных матриц(а) Схематическая иллюстрация высокопроизводительной многоэлектродной матрицы. Au-микроэлектроды нанесены на кремниевую подложку с термооксидом толщиной 500 нм. Контактные площадки Au толщиной около 1 мм каждая нанесены на границу массива и электрически соединены с микроэлектродами в центре.(б) Оптическое изображение электродов. Чип содержит 2 больших противоэлектрода/электрода сравнения и 62 рабочих микроэлектрода меньшего размера.(с) Увеличенное изображение четырех рабочих микроэлектродов со собранными частицами НМК. Размер каждого Au-микроэлектрода составляет 20 × 20 мкм; Au-проволоки пассивированы нитридом кремния толщиной 50 нм.