Международная команда, в которую вошли исследователи из Сколтеха и их коллеги из Франции, США и Швейцарии, выяснила, почему потери энергии происходят во время цикла заряда-разряда в литий-ионных батареях с катодами, изготовленными из сложных богатых литием оксидов переходных металлов. Новое исследование, опубликованное в Nature Materials, показывает, что разница в рабочем напряжении заряда-разряда, приводящая к низкой энергоэффективности, обусловлена долгоживущими кинетически затрудненными промежуточными видами никеля.

Быстрорастущая индустрия электромобилей нуждается в литий-ионных батареях с более высокой плотностью энергии для обеспечения электромобилей, которые могут путешествовать дальше на одном заряде. Тяговые батареи следующего поколения могут быть созданы на основе современных катодных материалов, таких как богатые литием комплексные оксиды переходных металлов, которые являются текущими рекордсменами по удельной емкости благодаря тому, что как катионы переходных металлов (никель и кобальт), так и анионы кислорода участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Однако гистерезис напряжения — разница в напряжениях заряда и разряда — приводит к потерям энергии во время работы аккумулятора и ограничивает практическое применение.

"Во время зарядки литий-ионной батареи положительно заряженные катионы лития покидают свои места в структуре материала катода, а затем оседают обратно, когда батарея разряжается. Чтобы материал катода оставался электрически нейтральным, он должен выделять или поглощать одинаковое количество электронов. Наше исследование показывает, что кинетические помехи и энергетические барьеры в значительной степени вызваны переносом электронов, а не только миграцией катионов лития. Перенос электронов между катионами металлов и атомами кислорода может быть особенно медленным, что приводит к потерям энергии", - объясняет профессор Артем Абакумов, директор Центра энергетических наук и технологий Сколтеха (CEST).

"Чтобы зафиксировать эти долгоживущие электронные состояния, мы начали с исключения других возможных причин гистерезиса, таких как изменения в кристаллической структуре катода, вызванные миграцией катионов переходных металлов. Благодаря просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, а именно микроскопу Titan Themis Z в центре Advanced Imaging Core, мы получили неопровержимые доказательства того, что таких необратимых процессов не происходит. Titan Themis Z может похвастаться пространственным разрешением до 0,06 нм, что означает, что мы можем получать изображения кристаллических структур с атомным разрешением", - доктор философии Сколтеха. говорит студент Анатолий Морозов.

"Наш микроскоп сам по себе является лабораторией материаловедения, позволяющей анализировать материалы различными методами высокой локализации. В нашем исследовании мы не только использовали изображения структур, но и провели спектральный анализ электронного состояния катионов никеля и титана, а также анионов кислорода в различных состояниях заряда батареи. Таким образом, мы выяснили, что именно окисленные катионы никеля образовали долгоживущее электронное состояние, что впоследствии было подтверждено другими методами спектроскопии", - объясняет научный сотрудник Сколтеха Ольга Емельянова.

"Наше исследование выявляет уникальные возможности, которые предоставляет современная просвечивающая электронная микроскопия для изучения материалов, имеющих высокую практическую ценность. Знание кристаллической и электронной структуры на местном уровне имеет решающее значение для целенаправленной разработки материалов с уникальной функциональностью. Возможность проведения таких исследований является важным конкурентным преимуществом Сколтеха", - добавляет Ярослава Шахова, руководитель центра Advanced Imaging Core Facility.

ИСТОЧНИК