Исследователи используют микроструктурное моделирование для оптимизации материалов электродов для батарей

Важные новости

Исследователи используют микроструктурное моделирование для оптимизации электродные материалы для аккумуляторов

Участок катодного слоя (около 100 микрометров, слева), состоящего из сферических частиц (диаметром около 10 микрометров, в центре), и имитация (справа) фракции натрия в натрий- кристалл оксида никеля-марганца. Фото: Саймон Добнер, KIT

Какие факторы определяют, насколько быстро можно зарядить аккумулятор? Этот и другие вопросы изучают исследователи Технологического института Карлсруэ (KIT) с помощью компьютерного моделирования.

Микроструктурные модели помогают открывать и исследовать новые электродные материалы. Когда оксид натрия-никеля-марганца используется в качестве катодного материала в натрий-ионных батареях, моделирование показывает изменения кристаллической структуры во время зарядки. Эти модификации приводят к упругой деформации, в результате чего емкость снижается.

Исследование опубликовано в npj Computational Materials.

Исследование новой батареи материалов направлена ​​на оптимизацию их производительности и срока службы, а также на снижение затрат. Также ведется работа по снижению потребления редких элементов, таких как литий и кобальт, а также токсичных компонентов.

В этом отношении очень перспективными считаются натрий-ионные аккумуляторы. Они основаны на принципах, аналогичных принципам литий-ионных аккумуляторов, но могут производиться из сырья, широко доступного в Европе. И они подходят как для стационарного, так и для мобильного применения.

«Слоистые оксиды, такие как оксиды натрия-никеля-марганца, являются очень перспективными катодными материалами», — говорит доктор Саймон Добнер, руководитель группы Института прикладного моделирования и моделирования микроструктуры (IAM-MMS) KIT и автор-корреспондент изучение. В рамках кластера передового опыта POLiS (расшифровывается как Post Lithium Storage) он исследует натрий-ионную технологию.

Быстрая зарядка создает механическое напряжение

Однако катодные материалы этого типа имеют проблемы : Оксиды натрия, никеля и марганца меняют свою кристаллическую структуру в зависимости от количества накопленного натрия. Если материал заряжается медленно, все протекает упорядоченно.

«Натрий покидает материал слой за слоем, точно так же, как автомобили покидают парковку шаг за шагом», — объясняет Добнер. «Но при быстрой зарядке натрий извлекается со всех сторон». Это приводит к механическому напряжению, которое может необратимо повредить материал.

Исследователи из Института нанотехнологий (INT) и IAM-MMS KIT совместно с учеными из Ульмского университета и Центра исследований солнечной энергии и водорода Баден-Вюртемберг (ZSW) недавно провел моделирование, чтобы прояснить ситуацию.

Эксперименты подтверждают результаты моделирования

«Компьютерные модели могут описывать различные масштабы: от расположения атомов в материалах электродов до их микроструктуры и ячейки как функциональной единицы любой батареи», — говорит Даубнер. Для изучения слоистого оксида NaXNi1/3Mn2/3O2 микроструктурированные модели сочетались с экспериментами по медленной зарядке и разрядке.

Обнаружено, что материал демонстрирует несколько механизмов деградации, вызывающих потерю емкости. По этой причине он пока не подходит для коммерческого применения.

Изменение кристаллической структуры приводит к упругой деформации. Кристалл сжимается, что может привести к растрескиванию и снижению емкости. Моделирование INT и IAM-MMS показывает, что это механическое воздействие решающим образом определяет время, необходимое для зарядки материала. Экспериментальные исследования на ZSW подтверждают эти результаты.

Результаты исследования могут быть частично перенесены и на другие слоистые оксиды. «Теперь мы понимаем основные процессы и можем работать над разработкой материалов для аккумуляторов, которые будут долговечными и могут заряжаться как можно быстрее», — резюмирует Даубнер. Это может привести к широкому использованию натрий-ионных батарей через пять-десять лет.

Дополнительная информация: Саймон Даубнер и др., Комбинированное исследование. фазовых переходов в катодном материале NaXNi1/3Mn2/3O2 типа P2: экспериментальные, ab-initio и результаты в многофазном поле, npj Computational Materials (2024). DOI: 10.1038/s41524-024-01258-x

Информация журнала: npj Расчетные материалы предоставлены Технологическим институтом Карлсруэ

Новости сегодня

Последние новости