Накопление лития-6 стало изотопным отпечатком старения литий-ионных батарей

Исследователи из Федерального института исследования и испытания материалов Германии (BAM) обнаружили, что распределение двух природных изотопов лития в электродах батарей меняется по мере старения ячейки предсказуемым образом. Это открывает возможность использовать изотопное соотношение как диагностический инструмент для выявления конкретных механизмов деградации. Результаты опубликованы в ACS Energy Letters.

Почему батареи стареют и почему это трудно диагностировать

Каждый цикл зарядки и разрядки оставляет в литий-ионной ячейке микроскопические следы: на электродах нарастают тонкие слои продуктов реакции, меняется структура кристаллической решётки катода и анода, часть лития оказывается необратимо «захвачена» в неактивных формах. Со временем ёмкость снижается. Разобраться, какой именно механизм «виноват» в конкретном случае и насколько сильно, непросто — процессы накладываются друг на друга и не видны без разрушения ячейки.

Изотопное расслоение: лёгкий и тяжёлый литий расходятся

Природный литий состоит из двух стабильных изотопов: лития-6 (около 7,5% природной смеси) и лития-7 (около 92,5%). Они немного различаются по массе, и при движении через электрод изотопы разделяются: более лёгкий литий-6 ведёт себя иначе, чем более тяжёлый литий-7.

Команда BAM изучила ячейки с катодом из NMC111 (никель-марганец-кобальт, равное соотношение) и графитовым анодом методом масс-спектрометрии с тлеющим разрядом — послойным химическим анализом в глубину материала. Измерения проводились на разных стадиях жизненного цикла ячейки.

Ключевые результаты:

• После первых нескольких зарядных циклов литий-6 начинал преимущественно накапливаться у анода (графита).
• После ещё 280 циклов это накопление существенно усилилось — и произошло это одновременно с заметным снижением ёмкости ячейки.
• На катоде параллельно нарастала относительная доля лития-7.
• Картина изотопного распределения оказалась чувствительна к конкретным механизмам деградации и к скорости зарядки.

Диагностический «отпечаток пальцев» старения

Главный вывод работы: изотопное распределение лития в электродах может служить диагностическим отпечатком механизмов деградации — без вскрытия работающей батареи (при использовании неразрушающих методов) или с минимально инвазивным анализом после определённого числа циклов.

Читайте также по теме: базе данных для разработки твердотельных батарей.

Метод пока применён к модельным ячейкам и требует проверки на коммерческих элементах с разными составами катода, анода и электролита. Тем не менее принцип, по словам авторов, может стать основой для нового класса быстрых диагностических тестов — инструмента для оптимизации протоколов зарядки и прогнозирования ресурса ячеек.