Ученые России впервые оценили хрупкость работающей батареи
В «Сколтехе» разработан метод, позволяющий отслеживать механическую деградацию литий-ионных батарей без прерывания их работы. Исследование было проведено сотрудниками Лаборатории иерархически структурированных материалов и Центра энергетических технологий, а также исследователями МГУ имени М.В. Ломоносова и центра IDEA, входящего в группу ВЭБ.РФ. Об этом сообщает сайт CNews. Об этом сообщает сайт ProGorodNSK.ru.
Статья, описывающая результаты работы, опубликована в журнале Measurement, а поддержка была оказана грантом РНФ. Ученые модифицировали ячейку и использовали плоский алмазный наконечник, что позволило впервые зафиксировать в реальном времени, как химические процессы внутри батареи приводят к резкому охрупчиванию ее компонентов.
Основная проблема заключается в разрушении катодных материалов с высоким содержанием никеля (NMC811). В процессе зарядки и разрядки частицы изменяют свою форму и объем, что приводит к образованию микротрещин и постепенной потере работоспособности батареи. Ранее инженерам приходилось разбирать и высушивать аккумуляторы для анализа, что искажало реальную картину и приводило к появлению искусственных дефектов, скрывая истинные свойства материала в агрессивной среде.
Старший научный сотрудник Евгений Статник, первый автор статьи, отметил, что твердость и модуль упругости катода оставались практически неизменными на протяжении всего цикла. Однако работа пластической деформации на высоковольтной фазе H3 снизилась на 28%. Материал не терял твердость, но утратил способность к пластической деформации, что увеличивало риск растрескивания частиц и разрушения структуры при напряжении выше 4,2 вольта.
Вместо стандартного острого наконечника ученые применили плоский цилиндрический индентор, что обеспечивало равномерное распределение нагрузки по поверхности пористого электрода и позволяло получить усредненные мезомасштабные данные с учетом жидкого электролита, углеродных добавок и полимерного связующего. Изменения упругости и твердости отслеживались на четырех этапах фазовых превращений катода при высоком напряжении.
Директор Центра энергетических технологий, профессор Артем Абакумов, сообщил, что исследователи преодолели ограничение герметичности современных батарей, спроектировав дисковую ячейку формата CR2032 со специальным окном доступа. Это дало возможность одновременно контролировать электрические параметры и проводить наноиндентирование, прощупывая механический отклик композитного катода в момент электрохимических реакций.
Профессор Александр Корсунский, руководитель Лаборатории иерархически структурированных материалов, подчеркнул, что созданная платформа развивает парадигму operando-исследований сложных процессов в литиевых аккумуляторах. Полученные эталонные параметры являются критически важными для калибровки и валидации многомасштабных расчетных моделей. Точные количественные данные о потере пластичности катода помогут инженерам более реалистично прогнозировать внутренние напряжения и распространение трещин, что позволит производителям целенаправленно разрабатывать механически устойчивые батареи с высокой плотностью энергии.
