Effekterna av lagring av omgivande luft på ytan av NMC-811 Kredit:WMG, University of Warwick
Det är allmänt känt inom batteritillverkning att många katodmaterial är fuktkänsliga. Dock, när populariteten för högnickelbaserade batterikomponenter ökar, forskare från WMG, University of Warwick har funnit att ju torrare förhållanden dessa katoder lagras och bearbetas i, då uppnås en betydande förbättring av batteriets prestanda.
Hög-Ni-batterier (nickel) blir allt populärare över hela världen, med fler bilföretag som undersöker användningen av hög-Ni-batterier för elfordon. Dock, hög-Ni katodmaterial är benägna att reaktivitet och instabilitet utsätts för fukt, Därför är hur de lagras för att ge bästa prestanda avgörande.
I tidningen, "Effekterna av omgivande lagringsförhållanden på de strukturella och elektrokemiska egenskaperna hos NMC-811-katoder för litiumjonbatterier, ' publicerad i tidskriften Electrochemica Acta, forskare från WMG, University of Warwick föreslår det bästa sättet att lagra katoder med hög nickelhalt för att lindra för tidig nedbrytning.
Forskare exponerade NMC-811 (hög-Ni katodmaterial) för olika temperaturer och luftfuktigheter, mätte sedan materialets prestanda och nedbrytning i ett batteri under en 28-dagarsperiod, analysera dem med en kombination av fysiska, kemiska och elektrokemiska tester. Detta inkluderade högupplöst mikroskopi för att identifiera de morfologiska och kemiska förändringarna som inträffade på mikron- och submikronskalan under batteriernas laddning och urladdning.
Lagringsförhållandena inkluderade vakuumugnstorkad, som utsatt (för fukt) och en kontrollåtgärd. Forskare letade efter ytföroreningar, som inkluderar karbonater och H2O, och fann att det fanns tre processer som kan vara ansvariga för föroreningar, Inklusive:
Bildtext:(a-b) NMC811-partikel efter slakt, utan tidigare exponering för fuktig luft, analyserad av FIB-SIMS, inriktad på litiumdetektion. (c-d) NMC811-partikel efter slakt, efter 28 dagars exponering för fuktig luft, analyserad av FIB-SIMS, inriktad på litiumdetektion. Kredit:WMG, University of Warwick
De fann att under alla förhållanden, (ugnstorkad och exponerad) visade sämre specifik kapacitet för första urladdning och cyklingsprestanda, jämfört med kontrollen. Emellertid visade mätningen vid exponering att H2O och CO efter 28 dagars exponering för fukt i omgivningen 2 reagerar med Li+-jonerna i battericellen, vilket resulterar i bildandet av litiumkarbonat och hydroxidarter.
Bildandet av karbonater och oxider på ytan av NMC-811 bidrar till förlusten av den elektrokemiska prestandan under åldring av materialen, på grund av den sämre joniska och elektroniska konduktiviteten, samt den elektriska isoleringen av de aktiva partiklarna. Detta innebär att de inte längre reversibelt kan lagra litiumjoner för att förmedla "laddning". SEM-analys bekräftade den intergranulära porositeten och mikrosprickorna på dessa aggregatpartiklar, efter 28 dagars exponering i omgivningen.
Schematisk illustration av partikelnedbrytning under laddning-urladdning av ett batteri Kredit:WMG, University of Warwick
De kan därför dra slutsatsen att de torraste förhållandena, vid daggpunkter runt -45oC, är de bästa för att lagra OCH bearbeta materialen, för att sedan producera bästa batteriprestanda. Fuktförhållanden och exponering vid korsningar längs tillverkningsprocessen kommer att få materialen och komponenterna att uppleva; detta resulterar i kortare batterilivslängd.
Dr Mel Loveridge från WMG vid University of Warwick säger, "Även om fukt är välkänt för att vara problematisk här, vi satte igång för att fastställa de optimala lagringsförhållandena som krävs för att lindra oönskade, för tidig försämring av batteriprestanda. Sådana åtgärder är avgörande för att förbättra bearbetningsförmågan, och i slutändan upprätthålla prestationsnivåer. Detta är också av relevans för andra Ni-rika system, t.ex. NCA-material."
Professor Louis Piper från WMG vid University of Warwick säger, "Betydande globala forskningsansträngningar kommer att fortsätta att fokusera på dessa material, inklusive hur man skyddar sina ytor för att eliminera risker för parasitreaktioner innan de införlivas i elektroder. I UK, ledande forskning av Faraday Institution har ett projektkonsortium helt ägnat åt att reda ut nedbrytningsmekanismerna för sådana industrirelevanta material."
