Физики из Университета Калифорнии (Сан-Диего) разработали технику, позволяющую наблюдать за механическим развитием дефектов в катоде в процессе зарядки и разрядки аккумуляторов. Благодаря этому авторы установили необычные свойства катодного материала на основе никель-марганцевой шпинели, позволяющие ему функционировать даже при высоких напряжениях. Исследование опубликовано в журнале Science.
В эксперименте, поставленном физиками, использовалось когерентное рентгеновское излучение, производимое специальным источником — синхротроном третьего поколения. Эта характеристика сближает такое излучение с лазерным — колебания волн в нем происходят согласованно. Такая особенность позволяет лучше различать внутренние неидеальности исследуемых кристаллов.
Рентгеновское излучение проходило сквозь собранный авторами работы прозрачный аккумулятор и фиксировалось с помощью детектора. В качестве катода в аккумуляторе выступал смешанный оксид никеля, марганца и лития, имеющий определенную кристаллическую решетку. Именно ионы лития выступали в нем переносчиками заряда: в процессе разрядки они переходят от катода к аноду, и обратно — при зарядке. Это движение приводит к возникновению внутри материала дефектов. Исследователи наблюдали за структурой катода при различных напряжениях тока зарядки.
Оказалось, что дефекты, полученные при разных напряжениях тока, по-разному влияют на окружающий материал. Некоторые из них могут быть даже полезны. В частности, при высоких напряжениях (свыше 4,5 вольт) области вокруг дефектов приобретали отрицательную сжимаемость. Это значит, что растягиваясь вдоль одного направления из-за дефекта они, в отличие от резинки, расширяются и вдоль других направлений. Обычно же, материалы растягиваясь вдоль одного направления сжимаются вдоль остальных.
Физики предполагают, что именно это свойство помогает катоду значительно лучше переносить высокие напряжения, не растрескиваясь и не разрушаясь. По словам авторов, это первый случай, когда материал аккумулятора обладает таким необычным свойством.
Деградация катода является одной из главных причин, ограничивающих срок жизни аккумуляторов. Со временем, из-за дефектов, возникающих в ходе каждой зарядки-разрядки батареи, катодный материал разрушается, меняя свою внутреннюю структуру и, тем самым, теряет способность накапливать в себе ионы лития. Это приводит к значительному уменьшению емкости батареи.