Исследователи Лаборатории иерархически структурированных материалов Центра инженерных систем и наук и Центра энергетических технологий Сколтеха совместно с коллегами из МГУ имени М.В. Ломоносова и Исследовательского центра IDEA разработали уникальный метод изучения механической деградации литий-ионных аккумуляторов непосредственно в процессе их работы. С помощью модифицированной ячейки и плоского алмазного наконечника учёным удалось впервые в режиме реального времени зафиксировать, как химические изменения внутри батареи приводят к резкому охрупчиванию её элементов. Результаты исследования, раскрывающие скрытые механизмы старения аккумуляторов, опубликованы в журнале Measurement.
Как это работает?
Инженеры создали оригинальный дизайн дисковой ячейки формата CR2032 со специальным окном доступа. Это позволило одновременно контролировать электрические параметры аккумулятора и проводить наноиндентирование — буквально «прощупывать» механический отклик композитного катода алмазным зондом прямо в момент электрохимических реакций.
Что показали результаты?
Твёрдость и модуль упругости катода оставались практически неизменными на протяжении всего цикла зарядки-разрядки. Однако работа пластической деформации при переходе в высоковольтную фазу H3 резко снижалась — на 28%. Катодный материал не становился мягче, он терял способность пластически деформироваться под нагрузкой, из-за чего резко возрастал риск растрескивания частиц и разрушения всей структуры при работе выше 4,2 вольта.
«Мы впервые провели такого рода испытания и смогли количественно оценить изменения механических свойств катодного материала в режиме реального времени при электрохимическом циклировании, — отмечает первый автор статьи, старший научный сотрудник Лаборатории иерархически структурированных материалов Центра инженерных систем и наук Сколтеха Евгений Статник. — В то время как твёрдость и модуль упругости катода оставались практически неизменными на протяжении всего цикла зарядки-разрядки, работа пластической деформации при переходе в высоковольтную фазу H3 резко снижалась — на 28%. Катодный материал не становился мягче, он терял способность пластически деформироваться под механической нагрузкой, из-за чего резко возрос риск растрескивания частиц и разрушения всей структуры при работе выше 4,2 вольт».
«Нам удалось обойти фундаментальное ограничение герметичности современных аккумуляторов, создав оригинальный дизайн дисковой ячейки формата CR2032 со специальным окном доступа, — рассказывает соавтор исследования, директор Центра энергетических технологий Сколтеха заслуженный профессор Артём Абакумов. — Это позволило одновременно контролировать электрические параметры аккумулятора и проводить наноиндентирование, то есть буквально „прощупывать” механический отклик композитного катода алмазным зондом прямо в момент протекания электрохимических реакций».
Что это даёт?
Точные количественные данные о потере пластичности катода позволят инженерам более реалистично прогнозировать эволюцию внутренних напряжений и распространение трещин. Это послужит надёжной диагностической основой для оптимизации безопасных окон эксплуатации и поможет производителям целенаправленно конструировать механически устойчивые батареи высокой плотности энергии.
«Разработанная экспериментальная платформа представляет собой развитие парадигмы operando-исследований сложных электрохимических и механических процессов в литиевых аккумуляторах, — подводит итог соавтор статьи, профессор Центра инженерных систем и наук Сколтеха, руководитель Лаборатории иерархически структурированных материалов Александр Корсунский. — Результаты новых экспериментов дают нам надёжные эталонные параметры, которые критически важны для калибровки и валидации многомасштабных расчетных моделей».
Результаты исследования поддержаны грантом РНФ.
Сколтех входит в группу ВЭБ.РФ.
📲 Новости и события Сколтеха также доступны в MAX и VK.