„A társadalom elektrifikációjához mindenkinek hozzá kell járulnia” – idézi az Interesting Engineering Khalil Amine-t, az Argonne kiemelt kutatóját és az UChicago közös professzorát, a tanulmány egyik levelező szerzőjét. „Ha az emberek nem bíznak abban, hogy az akkumulátorok biztonságosak és tartósak, nem fogják őket választani.”
A polikristályos, nikkelben gazdag katódanyagokat (PC-NMC) használó lítiumion-akkumulátorok régóta ismert repedezési problémái miatt az elmúlt években a kutatók egyre inkább az egyszemcsés, nikkelben gazdag rétegelt oxidokra (SC-NMC) kezdtek áttérni.
Ezek azonban a várakozásokkal ellentétben nem mindig teljesítettek jobban, mint a korábbi megoldások.
Az új kutatás feltárta az alapvető problémát: a polikristályos katódokra vonatkozó feltételezéseket tévesen alkalmazták az egyszemcsés anyagokra is.
„Amikor az iparág az egyszemcsés katódokra próbált áttérni, ugyanazokat a tervezési elveket követte, mint a polikristályos rendszereknél” – mondta Jing Wang, a tanulmány első szerzője, aki jelenleg posztdoktori kutatóként dolgozik az UChicago és az Argonne együttműködésében. „A mi munkánk viszont kimutatja, hogy az egyszemcsés részecskék fő degradációs mechanizmusa eltér a polikristályosétól, ami eltérő összetételi követelményeket is jelent.”
Amerikai kutatók egy régóta fennálló akkumulátortechnológiai rejtélyt oldottak meg, amely kapacitáscsökkenéshez, rövidebb élettartamhoz, sőt egyes esetekben tűzesetekhez is vezethetett. (Fotó: Unsplash)
A Nature Nanotechnology folyóiratban megjelent tanulmány részletesen feltárta az SC-NMC katódokban az akkumulátor működése során kialakuló, eddig alulértékelt nanoméretű feszültségek fejlődését.
A kutatás megkérdőjelezi azokat a hagyományos, összetételalapú tervezési stratégiákat és mechanikai degradációs mutatókat, amelyeket korábban a PC-NMC rendszerekre dolgoztak ki.
A részecskeszintű kemomechanikai elemzések kimutatták, hogy az egyszemcsés katódok esetében a mechanikai stabilitás és a rácstérfogat-változás nem jár kéz a kézben. A szerkezeti instabilitást elsősorban a kinetikailag vezérelt reakciók heterogenitása és az idővel deaktiválódó kémiai fázisok által kiváltott, többirányú rácsdeformációk okozzák.
A kutatók ennek alapján újraértelmezték a kobalt és a mangán szerepét a mechanikai stabilitás fenntartásában.
Míg a kobalt a polikristályos katódoknál inkább kedvezőtlen hatású, az egyszemcsés NMC esetében kulcsszerepet játszik az élettartam növelésében, mivel csökkenti a diffúziós út mentén kialakuló lokális feszültségeket. A mangán ezzel szemben fokozza a mechanikai degradációt.
A tanulmány nemcsak a hagyományos tervezési megközelítéseket kérdőjelezi meg, hanem az alkalmazott anyagok szerepét is új megvilágításba helyezi.
„Nemcsak új tervezési stratégiákra van szükség, hanem eltérő anyagösszetételre is ahhoz, hogy az egyszemcsés katódokban rejlő potenciált teljes mértékben ki lehessen használni” – mondta Meng, aki egyben az Argonne-ban működő Energy Storage Research Alliance (ESRA) igazgatója is. „Ha jobban megértjük, hogyan bomlanak le a különböző katódanyagok, olyan nagy teljesítményű akkumulátorokat tervezhetünk, amelyek megfelelnek a globális energiaigényeknek.”
Polikristályos katódok esetében töltés és kisütés során az apró, egymásra rétegződő szemcsék kitágulnak és összehúzódnak. Ez az ismétlődő mozgás idővel kiszélesíti a szemcsehatárokat, hasonlóan ahhoz, ahogy a fagyás és olvadás kátyúkat hoz létre az utakon.
„Általában 5–10 százalékos térfogatváltozásról beszélünk” – magyarázta Wang. „Ha ez túllépi az anyag rugalmas határait, a részecskék megrepednek.”
Ha a repedések túlságosan kitágulnak, az elektrolit behatolhat a katód szerkezetébe, nem kívánt mellékreakciókat és oxigénfelszabadulást okozva, ami biztonsági kockázatokat, akár hőelszabadulást is eredményezhet.
A mindennapi használatban azonban gyakoribb következmény a kapacitás fokozatos csökkenése: az akkumulátor egyre kevesebb energiát képes tárolni és leadni.
A kutatás egyértelműen kimutatta, hogy az egyszemcsés NMC katódok esetében egy eltérő mechanikai meghibásodási mód dominálja a degradációt. „Ennek az eddig alulértékelt mechanizmusnak az azonosítása közvetlen kapcsolatot teremt az anyagösszetétel és a lebomlási útvonalak között, mélyebb betekintést adva a teljesítményromlás eredetébe” – fogalmazott Tongchao Liu, az Argonne vegyésze és a tanulmány egyik levelező szerzője.
Kiemelt kép forrása: Unsplash
S.Rita
