Вредные для аккумуляторов молекулы кислорода, обнаруженные ранее в обогащенных литием катодах, на самом деле образуются под воздействием рентгеновского излучения, которое используется для их же поиска. Такой вывод сделали ученые из Сколтеха, Университета Монпелье и Коллеж де Франс по итогам исследования, результаты которого опубликованы в журнале Nature Materials. Полученные выводы облегчат коммерциализацию батарей нового поколения.
Накопители с катодами, обогащенными литием, способны запасать примерно на 30 % больше энергии, чем их аналоги с «обычными» литий-никель-марганец-кобальт- оксидными катодами (NMC). Однако препятствием на пути внедрения таких батарей является ухудшение характеристик по мере роста числа циклов заряда и разряда. Катодный материал в процессе эксплуатации претерпевает не до конца изученные изменения, которые вызывают постепенное падение напряжения и емкости.
Среди ученых есть консенсус, что проблема связана с окислительно-восстановительными процессами с участием кислорода. Однако, что конкретно связано с атомами кислорода, непонятно, и этот пробел в теории не позволяет работать над решением проблемы.
Одна из распространенных до последнего времени гипотез звучала так: за время срока службы аккумулятора атомы кислорода, изначально встроенные в кристаллическую решетку катода, постепенно высвобождаются и образуют в порах материала молекулы O2. Поскольку молекулярный кислород почти не проявляет электрохимической активности, его накопление ухудшает характеристики аккумулятора. В пользу этой гипотезы говорило обнаружение молекул O2 в обогащенных литием катодных материалах с помощью рентгеноспектрального анализа. Однако это ставило под сомнение использование каких бы то ни было технологий, поскольку образование молекулярного кислорода — необратимый процесс, на который сложно повлиять.
Ученым из Сколтеха, Университета Монпелье и Коллеж де Франс удалось развенчать эту гипотезу по итогам серии экспериментов, проведенных в Европейском центре синхротронного излучения (ESRF). Авторы выяснили, что двухатомная молекула газообразного кислорода (O₂), которая ранее была обнаружена в катоде литий-ионного аккумулятора по спектру рентгеновского рассеяния (RIXS), образовывалась под воздействием самого рентгена.
«К счастью, после выхода нашей статьи можно сказать, что гипотеза о молекулярном кислороде в порах катодного материала остается в прошлом. Мы проанализировали данные, полученные в ходе масштабных экспериментов по рентгеновскому рассеянию, и показали, что запертые в структуре катода молекулы кислорода — те самые, которые считались причиной ухудшения характеристик, — в действительности с высокой вероятностью являются артефактом измерений. То есть они образовывались под воздействием самого́ рентгеновского излучения, с помощью которого их обнаружили», — цитирует Сколтех Дмитрия Аксенова, сотрудника Центра энергетических технологий.
Открытие значительно снижает неопределенность, которая долгое время существовала вокруг механизма окисления кислорода в катодах. Теперь область исследований по стабилизации катодного материала сужается до так называемого структурного кислорода — атомов, которые теряют электрон в процессе заряда аккумулятора. Справиться с этой задачей будет значительно легче, чем было бы с молекулярным кислородом в порах. Это делает коммерциализацию новых аккумуляторов более реалистичной.
