Российские ученые впервые измерили хрупкость работающей батареи
В «Сколтехе» научились следить за механической деградацией литий-ионных батарей, не прерывая их работу. Метод разработали сотрудники Лаборатории иерархически структурированных материалов и Центра энергетических технологий. Вместе с ними трудились исследователи МГУ имени М.В. Ломоносова и центра IDEA. Институт входит в группу ВЭБ.РФ. Об этом пишет сайт CNews.
Статью опубликовал журнал Measurement, поддержку оказал грант РНФ. Авторы модифицировали ячейку и применили плоский алмазный наконечник. Так впервые удалось в реальном времени зафиксировать, как химические процессы внутри накопителя ведут к резкому охрупчиванию его элементов.
Ключевая проблема — разрушение катодных материалов с высоким содержанием никеля (NMC811). Во время циклов зарядки и разрядки частицы меняют форму и объем. Появляются микротрещины, и батарея постепенно теряет работоспособность. Раньше инженерам приходилось разбирать и высушивать аккумуляторы для анализа. Такой подход сильно искажал картину и порождал искусственные дефекты, а истинные свойства материала в агрессивной среде оставались невидимыми.
Первый автор статьи, старший научный сотрудник Евгений Статник, пояснил: твердость и модуль упругости катода держались почти без изменений на протяжении всего цикла. Зато работа пластической деформации на высоковольтной фазе H3 упала на 28%. Материал не размягчался — он терял способность деформироваться пластически. Из-за этого выше 4,2 вольта резко вырос риск растрескивания частиц и разрушения структуры.
Вместо стандартного острого наконечника пирамидальной формы ученые взяли плоский цилиндрический индентор. Нагрузка распределялась по поверхности пористого электрода равномерно, что дало усредненные мезомасштабные данные с учетом жидкого электролита, углеродных добавок и полимерного связующего. Изменения упругости и твердости отследили на четырех этапах фазовых превращений катода при высоком напряжении.
Директор Центра энергетических технологий, заслуженный профессор Артем Абакумов рассказал, что авторы обошли фундаментальное ограничение герметичности современных батарей. Они спроектировали дисковую ячейку формата CR2032 со специальным окном доступа. Это позволило одновременно контролировать электрические параметры и проводить наноиндентирование — прощупывать алмазным зондом механический отклик композитного катода прямо в момент электрохимических реакций.
Профессор Александр Корсунский, руководитель Лаборатории иерархически структурированных материалов, отметил: созданная платформа развивает парадигму operando-исследований сложных процессов в литиевых аккумуляторах. Полученные эталонные параметры критически важны для калибровки и валидации многомасштабных расчетных моделей. Точные количественные данные о потере пластичности катода дадут инженерам более реалистичный прогноз эволюции внутренних напряжений и распространения трещин. Производители смогут целенаправленно конструировать механически устойчивые батареи высокой плотности энергии.
