Микроструктурное моделирование для оптимизации электродных материалов для батарей.

Секция катодного слоя (около 100 микрометров, слева), состоящая из сферических частиц (около 10 микрометров в диаметре, в центре) и моделирования (справа) фракции натрия в кристалле оксида натрия-никелеяньянганца.Кредит: Саймон Дабнер, Кит

Какие факторы определяют, насколько быстро батарея может быть заряжена?Эти и другие вопросы изучаются исследователями Института технологии Карлсруэ (KIT) с помощью компьютерного моделирования.

Микроструктурные модели помогают обнаружить и исследовать новые электродные материалы.Когда натрия-никеле-манганский оксид используется в качестве катодного материала в натрие-ионных батареях, моделирование показывает модификации кристаллической структуры во время зарядки.Эти модификации приводят к упругим деформации, в результате которой снижается способность.

Исследование опубликовано в вычислительных материалах NPJ.

Исследование новых аккумуляторных материалов направлено на оптимизацию их производительности и срока службы и снижение затрат.Также ведутся работа по снижению потребления редких элементов, таких как литий и кобальт, а также токсичные компоненты.

В этом отношении батареи натрия считаются очень перспективными.Они основаны на принципах, аналогичных принципам литий-ионных батарей, но могут быть произведены из сырья, которые широко доступны в Европе.И они подходят как для стационарных, так и для мобильных приложений.

«Слоистые оксиды, такие как оксиды натрия-никел-манганских, являются высокообладающими катодными материалами»,-говорит доктор Саймон Дабнер, руководитель группы в Институте прикладных материалов-Микроструктурное моделирование и моделирование (IAM-MMS) комплекта и соответствующего автораизучение.В кластере Polis (обозначает пост-литиевое хранение) кластер превосходства, он исследует технологию ионов натрия.

Тем не менее, катодные материалы такого типа имеют проблему: оксиды натрия-никел-мангана меняют свою кристаллическую структуру в зависимости от того, сколько натрия хранится.Если материал заряжается медленно, все проходит хорошо упорядоченным образом.

«Натрий оставляет материальный слой за слоем, так же, как автомобили, оставляющие историю за парковку», - объясняет Дабнер.«Но когда зарядка быстрое, натрий извлекается со всех сторон».Это приводит к механическому напряжению, которое может повредить материал навсегда.

Исследователи из Института нанотехнологий (INT) и IAM-MMS Kit вместе с учеными из Ульмского университета и Центром солнечной энергии и исследований водорода Баден-Вюртемберг (ZSW) недавно выполнили моделирование, чтобы прояснить ситуацию.

«Компьютерные модели могут описывать различные масштабы длины, от расположения атомов в электродных материалах до их микроструктуры к ячейке в качестве функциональной единицы любой батареи», - говорит Дабнер.Чтобы изучить слойный оксид NAXNI1/3MN2/3O2, микроструктурированные модели объединяли с экспериментами с медленным зарядом и разрядками.

Было обнаружено, что материал демонстрирует несколько механизмов деградации, вызывающих потерю емкости.По этой причине это еще не подходит для коммерческих приложений.

Изменение кристаллической структуры приводит к упругой деформации.Кристалл сжимается, что может вызвать растрескивание и снижение пропускной способности.Моделирование Int и IAM-MMS показывает, что это механическое влияние решительно определяет время, необходимое для зарядки материала.Экспериментальные исследования в ZSW подтверждают эти результаты.

Результаты исследования могут быть переданы частично в другие слоистые оксиды.«Теперь мы понимаем основные процессы и можем работать над разработкой батарейных материалов, которые являются длительными и могут быть заряжены как можно быстрее»,-резюмирует Дабнер.Это может привести к широкому использованию батарей-натрия в течение пяти-десяти лет.

Больше информации: Simon Daubner и др., Комбинированное исследование фазовых переходов в катодном материале типа P2 Naxni1/3MN2/3O2: экспериментальные, результаты AB-Ititio и многофазное поле, вычислительные материалы NPJ (2024).Doi: 10.1038/s41524-024-01258-x