Onderzoekers hebben een mogelijk nieuw degradatiemechanisme voor batterijen van elektrische voertuigen geïdentificeerd - een belangrijke stap in het ontwerpen van effectieve methoden om de levensduur van batterijen te verbeteren.

De onderzoekers, van de universiteiten van Cambridge en Liverpool, en de Diamanten Lichtbron, hebben een van de redenen geïdentificeerd waarom geavanceerde "nikkelrijke" batterijmaterialen vermoeid raken, en kan na langdurig gebruik niet meer volledig worden opgeladen.

hun resultaten, gerapporteerd in het journaal Natuurmaterialen , opent de deur naar de ontwikkeling van nieuwe strategieën om de levensduur van de batterij te verbeteren.

Als onderdeel van de inspanningen om klimaatverandering tegen te gaan, veel landen hebben ambitieuze plannen aangekondigd om benzine- of dieselvoertuigen tegen 2050 of eerder te vervangen door elektrische voertuigen (EV's).

De lithium-ionbatterijen die door EV's worden gebruikt, zullen waarschijnlijk de EV-markt in de nabije toekomst domineren, en nikkelrijke lithium overgangsmetaaloxiden zijn de state-of-the-art keuze voor de positieve elektrode, of kathode, in deze batterijen.

Momenteel, de meeste EV-batterijen bevatten aanzienlijke hoeveelheden kobalt in hun kathodematerialen. Echter, kobalt kan ernstige milieuschade veroorzaken, dus onderzoekers hebben gezocht om het te vervangen door nikkel, die ook hogere praktische capaciteiten biedt dan kobalt. Echter, nikkelrijke materialen degraderen veel sneller dan bestaande technologie en vereisen aanvullende studie om commercieel levensvatbaar te zijn voor toepassingen zoals EV's.

"In tegenstelling tot verbruikselektronica die doorgaans slechts een paar jaar meegaat, voertuigen zullen naar verwachting veel langer meegaan en daarom is het essentieel om de levensduur van een EV-batterij te verlengen, " zei Dr. Chao Xu van Cambridge's Department of Chemistry, en de eerste auteur van het artikel. “Daarom is een uitgebreide, diepgaand begrip van hoe ze werken en waarom ze gedurende lange tijd falen, is cruciaal om hun prestaties te verbeteren."

Om de veranderingen van de batterijmaterialen in realtime te volgen gedurende meerdere maanden batterijtests, gebruikten de onderzoekers lasertechnologie om een ​​nieuwe knoopcel te ontwerpen, ook wel knoopcel genoemd. "Dit ontwerp biedt een nieuwe mogelijkheid om degradatiemechanismen te bestuderen gedurende een lange periode van fietsen voor veel batterijchemie, " zei Xu. Tijdens de studie, de onderzoekers ontdekten dat een deel van het kathodemateriaal vermoeid raakt na herhaaldelijk opladen en ontladen van de cel, en de hoeveelheid vermoeid materiaal neemt toe naarmate het fietsen doorgaat.

Xu en zijn collega's doken diep in de structuur van het materiaal op atomaire schaal om antwoorden te zoeken waarom een ​​dergelijk vermoeidheidsproces optreedt. "Om volledig te kunnen functioneren, batterijmaterialen moeten uitzetten en krimpen als de lithiumionen in en uit gaan, "zei Xu. "Echter, na langdurig gebruik, we ontdekten dat de atomen aan het oppervlak van het materiaal waren herschikt om nieuwe structuren te vormen die niet langer in staat zijn om energie op te slaan."

Wat nog erger is, is dat deze delen van het gereconstrueerde oppervlak blijkbaar fungeren als pinnen die de rest van het materiaal op zijn plaats houden en voorkomen dat het samentrekt dat nodig is om de volledig opgeladen toestand te bereiken. Als resultaat, het lithium blijft vastzitten in het rooster en dit vermoeide materiaal kan minder lading vasthouden.

Met deze kennis, de onderzoekers zoeken nu effectieve tegenmaatregelen, zoals beschermende coatings en functionele elektrolytadditieven, om dit degradatieproces te verminderen en de levensduur van dergelijke batterijen te verlengen.