Co może być czynnikiem ograniczającym osiągi i wydajność najnowocześniejszych materiałów wykorzystywanych do produkcji akumulatorów pojazdów elektrycznych? Według wspieranych przez UE naukowców to nieregularny ruch jonów litu.
Większość pojazdów elektrycznych zasilają akumulatory litowo-jonowe, wyróżniające się jedną z najwyższych gęstości energii spośród wszystkich technologii akumulatorowych. Jednak w miarę coraz powszechniejszego zastępowania samochodów napędzanych silnikami spalinowymi pojazdami elektrycznymi wzrasta zapotrzebowanie na większy zasięg i krótszy czas ładowania, co przekłada się na potrzebę opracowywania nowych i lepszych materiałów do produkcji akumulatorów.
Zaawansowane, warstwowe tlenki litowo-niklowe są jednymi z najbardziej obiecujących materiałów akumulatorowych, szeroko stosowanymi obecnie w luksusowych pojazdach elektrycznych. Zrozumienie mechanizmów ich działania, a zwłaszcza transportu jonów litu, stanowi klucz do poprawy ich osiągów elektrochemicznych Jednak mechanizmów tych do tej pory nie udało się w pełni poznać.
W ramach badania wspieranego przez finansowane ze środków UE projekty SOLARX, MULTILAT i BATNMR wykazano, że w przeciwieństwie do tego, co wcześniej uważano, magazynowanie jonów litu w materiałach akumulatorowych przez poszczególne cząstki aktywne ma niejednorodny charakter. W rzeczywistości zespół projektu odkrył, że nieregularny ruch jonów litu w materiale katody nowej generacji opartym na bogatym w nikiel tlenku manganowo-kobaltowym (ang. nickel manganese cobalt oxide, NMC) może zmniejszać pojemność akumulatora i obniżać jego osiągi. Badanie opublikowano w czasopiśmie „Joule”.Wykorzystując mikroskopię optycznego rozpraszania in operando i modelowanie dyfuzyjne, badacze prześledzili, jak światło oddziałuje podczas pracy akumulatora z aktywnymi cząsteczkami. Zauważyli oni wyraźne różnice w magazynowaniu litu podczas cyklu ładowania–rozładowania w cząstkach NMC. „To pierwszy raz, kiedy tę niejednorodność w magazynowaniu litu zaobserwowano bezpośrednio w pojedynczych cząstkach”, stwierdza doktorantka i współautorka badania Alice Merryweather z Uniwersytetu w Cambridge, będącego gospodarzem projektów SOLARX, MULTILAT i BATNMR, w komunikacie prasowym zamieszczonym na stronie internetowej uczelni. „Techniki czasu rzeczywistego, takie jak nasza, są niezbędne do uchwycenia tego zjawiska podczas cyklu pracy akumulatora”.
Jak podano w komunikacie, wspomnianą niejednorodność w magazynowaniu litu przypisano gwałtownym zmianom, jakim ulega tempo dyfuzji litowo-jonowej w NMC podczas cyklu ładowania–rozładowania. Jony litu ulegają powolnej dyfuzji w całkowicie zlitowanych cząstkach NMC, natomiast po usunięciu z nich części jonów litu dyfuzja gwałtownie przyspiesza. Szybka dyfuzja obserwowana po delitowaniu – na początku ładowania – skutkuje powstaniem aktywnych cząstek z powierzchniami o niskiej i rdzeniami o wysokiej zawartości litu. Z kolei powolna dyfuzja jonów w całkowicie zlitowanych cząstkach NMC – blisko końca rozładowywania akumulatora – skutkuje powstaniem cząstek z powierzchniami o wysokiej i rdzeniami o niskiej zawartości litu.
„Nasz model dokładnie przewidział rozkłady litu i uchwycił stopień niejednorodności zaobserwowany w eksperymentach”, zauważa współautor badania dr Shrinidhi Pandurangi, również z Uniwersytetu w Cambridge. „Te przewidywania są kluczowe dla zrozumienia innych mechanizmów degradacji akumulatorów, takich jak pękanie cząstek”.
Niejednorodność litu pod koniec rozładowywania wyjaśnia, dlaczego katody bogate w nikiel tracą około 10 % swojej pojemności po pierwszym cyklu ładowania–rozładowania. „Jest to istotne, biorąc pod uwagę jeden standard przemysłowy, który służy do określenia, czy akumulator powinien być wycofany z użytku po utracie 20 procent swojej pojemności, czy też nie”, zauważa drugi główny autor badania dr Chao Xu z ShanghaiTech University w Chinach, który uczestniczył w nim podczas pobytu w Cambridge.
Wiedza zdobyta w ramach badania wspartego przez projekty SOLARX (Photon Management for Solar Energy Harvesting with Hybrid Excitonics), MULTILAT (Multi-phase Lattice Materials) i BATNMR (Development and Application of New NMR Methods for Studying Interphases and Interfaces in Batteries) otwiera drogę do nowych podejść mających na celu zaradzenie problemowi strat pojemności i zwiększenie żywotności wysokowydajnych materiałów akumulatorowych.
Więcej informacji:
poleca:
