Ny indsigt i lithium-ion batteri fejlmekanisme

Forskere har identificeret en potentiel ny nedbrydningsmekanisme for batterier til elektriske køretøjer - et nøgletrin til at designe effektive metoder til at forbedre batteriets levetid.

Forskerne, fra universiteterne i Cambridge og Liverpool, og diamantlyskilden, har identificeret en af ​​grundene til, at avancerede "nikkelrige" batterimaterialer bliver trætte, og kan ikke længere lades helt op efter længere tids brug.

Deres resultater, rapporteret i journalen Naturmaterialer , åbne døren til udviklingen af ​​nye strategier til at forbedre batterilevetiden.

Som led i indsatsen for at bekæmpe klimaforandringerne, mange lande har annonceret ambitiøse planer om at erstatte benzin- eller dieselkøretøjer med elektriske køretøjer (EV'er) inden 2050 eller tidligere.

De lithium-ion-batterier, der bruges af elbiler, vil sandsynligvis dominere el-markedet i en overskuelig fremtid, og nikkelrige lithium-overgangsmetaloxider er det avancerede valg til den positive elektrode, eller katode, i disse batterier.

I øjeblikket, de fleste EV-batterier indeholder betydelige mængder kobolt i deres katodematerialer. Imidlertid, kobolt kan forårsage alvorlig miljøskade, så forskere har søgt at erstatte det med nikkel, som også tilbyder højere praktiske kapaciteter end kobolt. Imidlertid, Nikkelrige materialer nedbrydes meget hurtigere end eksisterende teknologi og kræver yderligere undersøgelser for at være kommercielt levedygtige til applikationer som elbiler.

"I modsætning til forbrugselektronik, som typisk kun har en levetid på få år, køretøjer forventes at holde meget længere, og derfor er det vigtigt at øge levetiden for et EV-batteri, " sagde Dr. Chao Xu fra Cambridge's Department of Chemistry, og artiklens første forfatter. "Det er derfor en omfattende, dybdegående forståelse af, hvordan de fungerer, og hvorfor de fejler over lang tid, er afgørende for at forbedre deres præstationer."

For at overvåge ændringerne af batterimaterialerne i realtid over flere måneders batteritest, forskerne brugte laserteknologi til at designe en ny møntcelle, også kendt som knapcelle. "Dette design giver en ny mulighed for at studere nedbrydningsmekanismer over en lang periode med cykling for mange batterikemier, " sagde Xu. Under undersøgelsen, forskerne fandt ud af, at en del af katodematerialet bliver træt efter gentagen opladning og afladning af cellen, og mængden af ​​det udmattede materiale stiger, efterhånden som cyklen fortsætter.

Xu og hans kolleger dykkede dybt ned i materialets struktur på atomare skala for at søge svar på, hvorfor en sådan træthedsproces opstår. "For at fungere fuldt ud, batterimaterialer skal udvide og krympe, når lithium-ionerne bevæger sig ind og ud, " sagde Xu. "Men efter længere tids brug, vi fandt ud af, at atomerne på overfladen af ​​materialet var omarrangeret til at danne nye strukturer, der ikke længere er i stand til at lagre energi."

Hvad værre er, er, at disse områder med rekonstrueret overflade tilsyneladende fungerer som pæle, der stifter resten af ​​materialet på plads og forhindrer det i den sammentrækning, der kræves for at nå den fuldt opladede tilstand. Som resultat, lithium forbliver fast i gitteret, og dette trætte materiale kan holde mindre ladning.

Med denne viden, forskerne søger nu effektive modforanstaltninger, såsom beskyttende belægninger og funktionelle elektrolytadditiver, for at afbøde denne nedbrydningsproces og forlænge levetiden af ​​sådanne batterier.