Przełom w badaniach: ukryty mechanizm pękania baterii litowo-jonowych ujawniony

Nowe odkrycia dotyczące degradacji baterii litowo-jonowych

Zespół badaczy z amerykańskiego University of Chicago oraz Argonne National Laboratory zidentyfikował ukryty mechanizm prowadzący do pękania zaawansowanych baterii litowo-jonowych. Wyniki opublikowane w czasopiśmie Nature Nanotechnology rzucają światło na przyczyny utraty pojemności i skróconej żywotności akumulatorów wykorzystywanych m.in. w pojazdach elektrycznych.

Dlaczego nowe materiały nie spełniały oczekiwań?

Dotychczas inżynierowie starali się ograniczyć pękanie katod, stosując materiały polikrystaliczne bogate w nikiel (PC-NMC). Jednak choćby po przejściu na katody jednokrystaliczne (SC-NMC), które pozbawione są granic ziaren, problem degradacji nie został rozwiązany. Zespół pod kierunkiem Jing Wang z UChicago PME odkrył, iż przyczyny uszkodzeń w materiałach jednokrystalicznych są inne niż w polikrystalicznych, a powielanie tych samych zasad projektowania prowadziło do nieoptymalnych rezultatów.

Różnice w mechanizmach pękania

W przypadku katod polikrystalicznych, wielokrotne ładowanie i rozładowywanie powoduje powstawanie naprężeń między ziarnami, prowadząc do pękania. Natomiast w katodach jednokrystalicznych reakcje chemiczne zachodzą nierównomiernie w obrębie pojedynczej cząstki, co generuje wewnętrzne naprężenia i również skutkuje pęknięciami.

„Kiedy ludzie próbują przechodzić na katody jednokrystaliczne, kierują się podobnymi zasadami projektowania jak w przypadku polikrystalicznych. Nasza praca pokazuje, iż główny mechanizm degradacji jest inny, co wymaga odmiennych składów materiałowych.”

– Jing Wang, University of Chicago PME

Nowe spojrzenie na rolę kobaltu i manganu

Badania wykazały, iż w katodach jednokrystalicznych mangan przyczynia się do większych uszkodzeń mechanicznych, podczas gdy kobalt – dotąd uważany za szkodliwy – poprawia trwałość i wydłuża żywotność baterii. To odkrycie zmienia dotychczasowe podejście do projektowania i doboru materiałów.

„Nie tylko potrzebne są nowe strategie projektowania, ale również inne materiały, aby katody jednokrystaliczne osiągnęły pełny potencjał.”

– Ying Shirley Meng, Argonne National Laboratory

Znaczenie odkrycia dla elektromobilności

Identyfikacja nowego mechanizmu degradacji umożliwi opracowanie bezpieczniejszych i bardziej wydajnych akumulatorów dla pojazdów elektrycznych oraz innych zastosowań wymagających wysokiej trwałości. Zespół badawczy podkreśla, iż kolejnym wyzwaniem będzie znalezienie tańszych zamienników dla kobaltu, przy zachowaniu jego pozytywnego wpływu na trwałość baterii.

„Postęp następuje cyklicznie – rozwiązujemy jeden problem, by przejść do kolejnego. Wiedza z tej pracy pomoże tworzyć bezpieczniejsze i trwalsze materiały na potrzeby przyszłych baterii.”

– Khalil Amine, Argonne National Laboratory

Podsumowanie

Nowe badania amerykańskich naukowców mogą znacząco wpłynąć na rozwój technologii magazynowania energii, a ich wdrożenie może przyczynić się do popularyzacji elektromobilności na świecie.

Źródło: ScienceDaily