Nieuwe studie onthult oorzaken van batterijkrimp en mitigatiestrategieën

University of Chicago, Pritzker School of Molecular Engineering, Chicago, IL

Jing Wang, een postdoctorale onderzoeker werkzaam bij de University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering en Argonne National Laboratory, is de eerste auteur van een nieuw papier dat enkele van de fundamentele oorzaken - en manieren om te mitigeren - van de nanoscopische spanningen onthuld die kunnen leiden tot barsting in een steeds populaardere vorm van batterij voor elektrische voertuigen en andere technologieën. (Afbeelding: John Zich)

Oplossing voor een groot batterijmysterie

Nieuw onderzoek van Argonne National Laboratory en de University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering heeft een groot batterijmysterie opgelost dat leidde tot capaciteitsdegradatie, verkorte levensduur en in sommige gevallen brand.

In een artikel gepubliceerd in Nature Nanotechnology, onthulden onderzoekers enkele van de fundamentele oorzaken - en manieren om te mitigeren - van de nanoscopische spanningen die kunnen leiden tot barsting in een steeds populaardere batterijvorm voor elektrische voertuigen en andere technologieën.

"Elektrificatie van de samenleving heeft ieders bijdrage nodig," zei een van de corresponderende auteurs Khalil Amine, Argonne Distinguished Fellow en Joint Professor aan de University of Chicago, "Als mensen batterijen niet vertrouwen om veilig en langdurig te zijn, zullen ze er niet voor kiezen om ze te gebruiken."

Van polycristallijn naar einkristallijn: verkeerde aannames

Vanwege de langdurige barstingsproblemen in lithium-ion batterijen die polycristallijn Ni-rijke materialen (PC-NMC) in hun kathodes gebruiken, hebben onderzoekers de afgelopen jaren zich gericht op einkristallijn Ni-rijke gelaagde oxiden (SC-NMC). Maar ze hebben niet altijd vergelijkbare of betere prestaties getoond dan het oudere model.

Het nieuwe onderzoek, uitgevoerd door eerste auteur Jing Wang tijdens haar PhD-periode, gezamenlijk begeleid door Professor Shirley Meng's Laboratory for Energy Storage and Conversion en Amine's Advanced Battery Technology team, onthulde het onderliggende probleem: aannames afgeleid van polycristallijne kathodes werden onjuist toegepast op einkristallijne materialen.

"Wanneer mensen proberen over te stappen naar einkristallijne kathodes, hebben ze vergelijkbare ontwerpprincipes gevolgd als de polycristallijne," zei Wang, nu postdoctorale onderzoeker werkzaam bij de University of Chicago en Argonne. "Ons werk identificeert dat het belangrijkste degradatiemechanisme van de einkristallijne deeltjes anders is dan die van de polycristallijne, wat leidt tot andere samenstellingseisen."

"Niet alleen zijn nieuwe ontwerpstrategieën nodig, maar ook verschillende materialen zullen vereist zijn om einkristallijne kathodebatterijen hun volle potentieel te laten bereiken," zei Meng, die ook Directeur is van de Energy Storage Research Alliance (ESRA), gevestigd bij Argonne. "Door beter te begrijpen hoe verschillende typen kathodematerialen degraderen, kunnen we helpen een reeks hoogfunctionerende kathodematerialen te ontwerpen voor de werelds energievraag."

Verschillend degradatiemechanisme

Zolang een polycristallijne kathodebatterij laadt en ontlaadt, zwellen en krimpen de kleine, gestapelde primaire deeltjes. Deze herhaalde expansie en contractie kan de korrelgrenzen die de polycristallen scheiden verbreden, vergelijkbaar met hoe herhaald bevriezen en doven gaten in stadsstraten veroorzaakt. "Typisch zal het ongeveer vijf tot tien procent volume-expansie of krimp lijden," zei Wang. "Zodra een expansie of krimping de elastische grenzen overschrijdt, leidt dit tot deeltjeskrimp."

Als de barsten te ver uiteenlopen, kan elektrolyt erin geraken, wat kan leiden tot ongewenste zijreacties en zuurstofvrijgave, wat veiligheidsrisico's kan opleveren, inclusief het risico op thermische ontlading. Maar, behalve die dramatische omstandigheden, is een meer dagelijks effect capaciteitsdegradatie - de batterijen vervagen over tijd, steeds meer onbekwaam om dezelfde lading te leveren als toen ze nieuw waren. Aangezien ze niet gemaakt zijn uit veel gestapelde kristallen, hebben einkristallijne kathodematerialen die beginkorrelgrenzen niet, maar degradeerden toch nog.

"We hebben aangetoond dat degradatie in einkristallijne NMC kathodes voornamelijk wordt bepaald door een onderscheidende mechanische falingsmodus," zei een andere corresponderende auteur, Tongchao Liu, chemist bij Argonne. "Door dit eerder onderschatte mechanisme te identificeren, vestigt dit werk een directe link tussen materialsamenstelling en degradatiepaden, wat dieper inzicht geeft in de oorsprong van prestatieverval in deze materialen."

Reactieheterogeniteit als drijvende kracht

Met behulp van multi-schaal synchrotron X-ray technieken en een hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscoop, ontdekten ze dat barsting in einkristallijne kathodes voornamelijk wordt gedreven door reactieheterogeniteit. Deeltjes ondergingen reacties met verschillende snelheden, wat spanning veroorzaakte niet tussen veel kristallen zoals bij polycristallijne ontwerpen, maar binnen één deeltje.

Polycristallijne kathodes zijn een balansact van nikkel, mangaan en kobalt. Kobalt veroorzaakt barsting maar was nodig om een apart probleem te mitigeren - Li/Ni disorder.

Door één nikkel-kobalt batterij (geen mangaan) en één nikkel-mangaan batterij (geen kobalt) te bouwen en te testen, vonden de onderzoekers dat, voor einkristallijne kathodes, het tegenovergestelde waar was. Mangaan was mechanisch schadelijker dan kobalt en kobalt hielp de batterijen eigenlijk langer mee.

Kobalt is echter duurder dan nikkel of mangaan. Wang zei dat de volgende stap van het team om deze lab-innovatie om te zetten in een real-world product is het vinden van goedkopere materialen die kobalt's goede resultaten repliceren.

"Voortgang komt in cycli," zei Amine. "Je lost een probleem op, dan ga je naar de volgende. De inzichten uiteengezet in dit samenwerkende papier zullen toekomstige onderzoekers helpen veiligere, langdurigere materialen te creëren voor morgen's batterijen."

Voor meer informatie, contacteer Khalil Amine via dit e-mailadres.