Forskare har identifierat en potentiell ny nedbrytningsmekanism för elfordonsbatterier - ett nyckelsteg för att utforma effektiva metoder för att förbättra batteriets livslängd.
Forskarna, från universiteten i Cambridge och Liverpool, och diamantljuskällan, har identifierat en av anledningarna till att toppmoderna "nickelrika" batterimaterial blir utmattade, och kan inte längre laddas helt efter långvarig användning.
Deras resultat, redovisas i tidskriften Naturmaterial , öppna dörren till utvecklingen av nya strategier för att förbättra batterilivslängden.
Som en del av insatserna för att bekämpa klimatförändringarna, många länder har aviserat ambitiösa planer på att ersätta bensin- eller dieselfordon med elfordon senast 2050 eller tidigare.
Litiumjonbatterierna som används av elbilar kommer sannolikt att dominera elbilsmarknaden under överskådlig framtid, och nickelrika litiumövergångsmetalloxider är det senaste valet för den positiva elektroden, eller katod, i dessa batterier.
För närvarande, de flesta elbilsbatterier innehåller betydande mängder kobolt i sina katodmaterial. Dock, kobolt kan orsaka allvarliga miljöskador, så forskare har letat efter att ersätta det med nickel, som också erbjuder högre praktisk kapacitet än kobolt. Dock, nickelrika material bryts ned mycket snabbare än befintlig teknik och kräver ytterligare studier för att vara kommersiellt gångbara för applikationer som elbilar.
"Till skillnad från förbrukningsbar elektronik som vanligtvis har en livslängd på bara några år, fordon förväntas hålla mycket längre och därför är det viktigt att öka livslängden på ett EV-batteri, " sa Dr. Chao Xu från Cambridges Department of Chemistry, och artikelns första författare. "Det är därför en omfattande, En djupgående förståelse för hur de fungerar och varför de misslyckas under lång tid är avgörande för att förbättra deras prestanda."
För att övervaka förändringar av batterimaterial i realtid under flera månaders batteritestning, forskarna använde laserteknik för att designa en ny myntcell, även känd som knappcell. "Denna design erbjuder en ny möjlighet att studera nedbrytningsmekanismer under en lång period av cykling för många batterikemier, " sa Xu. Under studien, forskarna fann att en del av katodmaterialet blir uttröttat efter upprepad laddning och urladdning av cellen, och mängden av det utmattade materialet ökar när cyklingen fortsätter.
Xu och hans kollegor dök djupt in i materialets struktur på atomär skala för att söka svar på varför en sådan utmattningsprocess inträffar. "För att fungera fullt ut, batterimaterial måste expandera och krympa när litiumjonerna rör sig in och ut, " sa Xu. "Men, efter långvarig användning, vi fann att atomerna på ytan av materialet hade omarrangerats för att bilda nya strukturer som inte längre kan lagra energi."
Vad värre är är att dessa områden med rekonstruerad yta uppenbarligen fungerar som pålar som fäster resten av materialet på plats och förhindrar det från den sammandragning som krävs för att nå det fulladdade tillståndet. Som ett resultat, litiumet förblir fast i gallret och detta utmattade material kan hålla mindre laddning.
Med denna kunskap, forskarna söker nu effektiva motåtgärder, såsom skyddande beläggningar och funktionella elektrolyttillsatser, för att mildra denna nedbrytningsprocess och förlänga livslängden för sådana batterier.
