В съвременните литиево-йонни акумулатори основно се използват катоди на базата на слоести оксиди с повишено съдържание на никел, тъй като те позволяват съхранение на повече енергия. Но колкото по-висока е концентрацията на никел, толкова по-бързо деградира акумулаторът: при зареждане и разреждане в частиците на материала постепенно се образуват пукнатини, което води до загуба на капацитет.

Едно от решенията е създаването на концентрационно-градиеструктурна структура: в центъра на частицата концентрацията на никел е максимална за висок капацитет, а към повърхността тя постепенно намалява, като се увеличава съдържанието на стабилизиращи елементи — манган и кобалт. На първия етап трудността е как да се създаде такъв градиент.

‘При създаването на такава градиеструктура е много трудно едновременно да се формира стабилна, обогатена с манган и кобалт повърхност с оптимална дебелина и да се осигури линейно изменение на концентрацията на преходните метали от центъра към периферията на частицата. Затова разработихме математически модел за прогнозиране на промяната на концентрацията на никел, манган и кобалт в агломерата на катода в зависимост от основните параметри на синтеза. За разлика от други изследвания, нашият модел отчита сферичната форма на частиците и техния радиус. С негова помощ синтезирахме три различни типа градиеструктури и експерименталните данни потвърдиха нашите изчисления”, коментира Люция Ситникова, съавтор на работата и докторант в програмата ‘Материалознание” в Сколтех.

Втората трудност е да се запази създаденият градиент на финалния, високотемпературен етап на производство, когато към материала се добавя литий. За решаването ѝ научният екип добави танталов оксид към състава на материала.

‘Установихме, че този висш валентен елемент не просто допира кристалната структура на слоестия оксид. Вместо това танталът се сегрегира на повърхността на първичните кристалити и способства за катионно разупорядъчване в слоестата структура. Забележително е, че Ta-обогатените области не представляват отделна фаза, концентрирана по границите на зърната, както се е смятало по-рано, а епитаксиално продължават кристалната структура на първичните кристалити, формирайки Ta-обогатен повърхностен слой с дебелина от няколко нанометра”, сподели Александра Савина, старши научен сътрудник в Центъра за енергийни технологии на Сколтех и първи автор на изследването.

Научният ръководител на проучването, заслужил професор в Центъра за енергийни технологии на Сколтех Артьом Абакумов коментира ключовите резултати: ‘Квантово-химичните изчисления с метод на функционала на плътността потвърдиха, че сегрегацията на тантала е термодинамично изгодна и ефективно потиска миграцията на Ni и подвижността на границите на зърната. В резултат модификацията с тантал ефективно запазва както градиеструктурата, предотвратявайки взаимната дифузия на никел, манган и кобалт, така и удължената форма на първичните кристалити, предотвратявайки уголемяването на първичните частици. Това води до значително подобряване на цикличната устойчивост на материала, както и на термичната стабилност. Публикуваните резултати имат не само фундаментална научна стойност, но и значителен практически потенциал: въз основа на тях ще се организира производство на пилотни серии от нов катоден материал NMC90-GTa на опитно-промишлената линия на Сколтех с капацитет до 100 тона/година.”