Исследователи из Университета Арканзаса разработали новую технологию нанопокрытия, которая может эффективно повысить циклическую производительность литий-ионных батарей. Исследование возглавил доцент кафедры машиностроения Университета Арканзаса Мэн Сянбо (Henry Meng), а его результаты были опубликованы в журнале «Small».
Исследовательская группа сосредоточилась на катодных материалах из слоистых металлооксидов, в частности на литий-никель-марганец-кобальтовом оксиде под названием NMC811. Этот материал привлекает внимание благодаря более низкой стоимости и высокой плотности энергии, но во время циклов зарядки и разрядки он выделяет кислород, что приводит к ухудшению характеристик батареи, а также может вызывать образование газов и побочных продуктов из-за окисления электролита, что даже создает риски безопасности.
Для решения этой проблемы исследователи с помощью технологии атомно-слоевого осаждения нанесли на предварительно изготовленный катод NMC811 покрытие из сульфида циркония толщиной всего два нанометра. Эксперименты показали, что это сульфидное покрытие в процессе работы батареи in situ превращается в сульфат (ZrS₂ превращается в Zr(SO₄)₂). Этот процесс преобразования эффективно захватывает кислород, выделяемый катодом, защищая электролит батареи от разложения. Кроме того, образовавшееся сульфатное покрытие также подавляет вредные побочные реакции, стабилизирует границу раздела катод/электролит, уменьшает образование микротрещин и поддерживает структурную стабильность катода.
Результаты испытаний характеристик показали, что непокрытый катод NMC811 выдерживал лишь около 200 циклов, в то время как с сульфидным покрытием его циклическая стабильность увеличилась до более чем 1000 циклов. После 1300 циклов батарея все еще сохраняла 60% своей емкости.
Мэн Сянбо заявил, что сульфиды представляют собой новый класс материалов для покрытий, способных in situ превращаться в сульфаты внутри батареи, образуя «прочный, чистый и антиоксидантный» защитный слой. В настоящее время его команда проверила эффект преобразования для различных сульфидов (таких как Li₂S, ZrS₂, Al₂S₃, ZnS и Cu₂S), и соответствующие исследования продолжаются.
Это исследование углубляет понимание инженерии границ раздела и открывает новые технологические пути для коммерческого применения катодов NMC811. В будущем эту технологию можно будет применять к катодам батарей в таких устройствах, как телефоны и ноутбуки, для продления срока их службы и повышения безопасности.
Первым автором статьи является аспирант лаборатории нанотехнологий и энергетики Мэн Сянбо Кевин Веласкес Карбальо, который провел испытания катодных покрытий на кнопочных элементах в лаборатории. Соавторами также выступили исследователи из Университета Арканзаса, Университета Арканзаса в Литл-Роке и Национальной лаборатории Аргонна. Мэн Сянбо сообщил, что несколько крупных технологических компаний уже проявили интерес к результатам исследования и планируют сотрудничать с Национальной лабораторией Аргонна для дальнейшего тестирования этой технологии покрытия на батареях различных типов.
Информация о публикации статьи: Авторы: Kevin Velasquez Carballo и др., Название: «Кислородоочищающее сульфидное покрытие способствует долгосрочной стабильности богатых никелем катодов», Опубликовано в: журнале «Small», 2025 г. Информация о журнале: «Small»
