John Zich
Chicago Üniversitesi’nden araştırmacı Jing Wang, tek kristal lityum iyon pillerin bozulmasının ana nedenlerinden bazılarını ve bu bozulmayı azaltmanın yollarını ortaya koyan bir çalışmanın ilk yazarıdır.
Gizli bir çatlama mekanizması, pil yapımında kullanılan yeni malzemelerin neden beklenenden daha düşük performans göstererek kapasitenin düşmesine, ömrünün kısalmasına ve bazı durumlarda yangınlara yol açtığını açıklıyor. Çözüm, elektrikli araçların geleceğinde devrim yaratabilir.
Chicago Üniversitesi Moleküler Mühendislik Okulu’ndan ve ABD’deki Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndan araştırmacılardan oluşan bir ekip, gizemi çözdü Kapasitenin azalmasına, kullanım ömrünün kısalmasına ve bazı durumlarda elektrikli araç akülerinde yangınlara yol açan gizli arıza.
Yeni çalışmakNature Nanoteknoloji dergisinde yayınlanan bir makalede sunulan bu araştırma, altta yatan nedenleri ve bunları azaltmanın yollarını ortaya koyuyor. nanoskopik ölçekli gerilimler bu yol açabilir çatlama elektrikli araçlar ve diğer teknolojiler için giderek daha popüler hale gelen bir pil türü olan tek kristal lityum iyon pillerde.
“Toplumun elektriklenmesi Herkesin katkısına ihtiyacı var”diyor öğretmen Halil AminU.Chicago’da araştırmacı ve ilgili yazarlar makalenin, ifade üniversitenin. “İnsanlar pillerin güvenli ve uzun ömürlü olduğuna güvenmiyorsa, onları seçmeyecekler”.
Dolayı çatlama sorunları Uzun süredir katotlarda nikel açısından zengin polikristalin malzemeler (PC-NMC) kullanan lityum iyon pillerle ilişkilendirilen araştırmacılar, son yıllarda nikel açısından zengin katmanlı oksitlere yöneldiler. tek kristal nikel (SC-NMC).
Ama bunlar her zaman benzer performans göstermedilerveya eski modelden daha yüksek.
liderliğindeki yeni çalışma Jing WangU.Chicago’da doktora öğrencisi, altta yatan sorunu ortaya çıkardı: Çok kristalli katotlardan yapılan varsayımlar yapılıyordu tek kristal malzemelere yanlış uygulanmış.
“İnsanlar tek kristal katotlara geçmeye çalıştıklarında, polikristallerinkine benzer tasarım ilkeleriŞu anda U.Chicago ve Argonne Ulusal Laboratuvarı’nda çalışan doktora sonrası araştırmacı Wang, şöyle açıklıyor:
“Çalışmamız şunu gösteriyor ana bozulma mekanizması tek kristal parçacıkların polikristallerden farklıdır, bu da farklı kompozisyon gereksinimlerine yol açıyor” diye detaylandırıyor araştırmacı.
çalışma sadece geleneksel tasarımı sorgulamakla kalmadıve ayrıca kullanılan malzemeler, Kobalt ve manganezin rolünü yeniden tanımlamak Pillerin mekanik arızasında.
“Sadece yeni tasarım stratejilerine ihtiyaç duyulmuyor; ayrıca gerekli olacak farklı malzemelerU.Chicago profesörü ve Argonne Enerji Depolama Araştırma Birliği’nin (ESRA) yöneticisi Ying Shirley Meng, “Tek kristal katotlu piller tam potansiyeline ulaşsın” diyor. sorumlu yazar makalenin.
Bir Çatlak Gizemi
Çok kristalli katot pili şarj edilip boşalırken, katmanlar halinde istiflenen küçük birincil parçacıklar, şişip küçülmek.
Bu tekrarlanan genişleme ve daralma, polikristalleri ayıran “tane sınırlarını” genişletebilir. donma döngüsü ve buz çözme Şehir yollarında delikler açılıyor.
Gibi “Tahıl sınırları” veya “Tahıl sınırları” Pillerin pilleri, elektrotların içindeki kristaller (tanecikler) arasındaki, kristal yöneliminin değiştiği mikroskobik arayüzlerdir. Bu sınırlar iyonların ve elektronların taşınmasını etkileyerek performansı, dayanıklılığı ve enerji depolama kapasitesini etkiler.
“Genellikle hacimde bir genişleme veya daralma vardır %5 ila %10 arasında“, diye açıklıyor Wang. “Genişleme veya daralma olduğunda elastik sınırları aşarbu da parçacıkların çatlamasına yol açıyor.”
Çatlaklar çok genişlerse elektrolit sızmasıİstenmeyen yan reaksiyonlara ve oksijen salınımına neden olarak güvenlik endişelerini artırır. termal kaçak.
Ancak bu daha dramatik senaryolara geçmeden, şöyle bir durum var: daha fazla gündelik etki: A kapasite bozulması: Zamanla piller performansını kaybeder ve aynı yükü sağlama yeteneği giderek azalıyor yeniyken teslim ettiler.
Çok sayıda yığılmış kristalden yapılmadıkları için tek kristalli katotlarda kullanılan malzemeler başlangıçta bu tane sınırlarına sahip değilsiniz. Ama yine de devam ettiler gizemli bir şekilde aşağılayıcı.
Yeni çalışma, kullanılan malzemeleri değiştirmenin, bir bileşeni diğeriyle değiştirmek kadar basit olmadığını gösterdi. “Tek kristal NMC katotlarındaki bozulma ağırlıklı olarak belirgin bir mekanik arıza modu”diye belirtti Tongchao LiuArgonne’da kimyager ve makalenin ilgili yazarlarından bir diğeri.
“Şimdiye kadar yeterince değer verilmeyen bu mekanizmayı tanımlayarak bu çalışma, malzeme bileşimi ve bozunma yolları arasındaki doğrudan bağlantıbir teklif düşüşün kökenlerinin daha iyi anlaşılması Bu malzemelerdeki performans”.
Araştırmacılar tek kristalli katotlardaki çatlamanın çoğunlukla reaksiyon heterojenliği tarafından yönlendirilir. Parçacıklar şunlardı: farklı ritimlere tepki vererek gerilim yaratır — çok kristalli tasarımlarda olduğu gibi birkaç kristal arasında değil, fakat tek bir kristal içinde.
Farklı çözümler
Çok kristalli katotlarda bileşim şunları içerir: hassas denge nikel, manganez ve kobalt arasındadır. Kobalt aslında çatlamaya katkıda bulunur, ancak belirgin bir sorunu hafifletmek için gerekliydiaraştırmacılar tarafından bilinen Li/Ni bozukluğu.
Ekip, bir nikel-kobalt (manganez içermeyen) pil ve bir nikel-manganez (kobalt içermeyen) pil üretip test ederek, tek kristal katotlar için şunu buldu: davranış tam tersiydi.
O manganezin daha zararlı olduğu kanıtlandı kobalttan ziyade mekanik açıdan ve kobalt pillerin daha uzun süre dayanmasına yardımcı oldu. Ancak kobalt nikel veya manganezden daha pahalıdır.
Jing Wang’a göre, bu laboratuvar yeniliğini gerçek dünyada pratik uygulaması olan bir ürüne dönüştürmenin bir sonraki adımı artık daha az pahalı malzemeler kobalt ile ilgili iyi sonuçları yeniden üreten.
“İlerlemeler döngüler halinde gerçekleşir“, diyor Khalil Amine. “Bir sorunu çözüp diğerine geçiyorsun. Bu ortak makalede açıklanan bilgiler Argonne, U.Chicago ve diğer yerlerdeki gelecekteki araştırmacıların yeni fikirler oluşturmasına yardımcı olacaktır. daha güvenli ve daha dayanıklı malzemeler yarının pilleri için.”