Nieuwe studie onthult oorzaken van batterijscheuren en mitigatiestrategieën

Universiteit van Chicago, Pritzker School of Molecular Engineering, Chicago, IL

Jing Wang, een postdoctoraal onderzoeker die samenwerkt met de Pritzker School of Molecular Engineering van de Universiteit van Chicago en het Argonne National Laboratory, is de eerste auteur van een nieuw artikel dat enkele van de grondoorzaken – en manieren om deze te verzachten – blootlegde van de nanoscopische spanningen die kunnen leiden tot scheuren in een steeds populairder wordende vorm van batterij voor elektrische voertuigen en andere technologieën. (Afbeelding:John Zich)

Nieuw onderzoek van het Argonne National Laboratory en de Pritzker School of Molecular Engineering van de Universiteit van Chicago heeft een groot batterijmysterie opgelost dat heeft geleid tot capaciteitsvermindering, een kortere levensduur en, in sommige gevallen, brand.

In een artikel gepubliceerd in Nature Nanotechnology hebben onderzoekers enkele van de grondoorzaken – en manieren om deze te verzachten – blootgelegd van de nanoscopische spanningen die kunnen leiden tot scheuren in een steeds populairder wordende vorm van batterij voor elektrische voertuigen en andere technologieën.

“De elektrificatie van de samenleving heeft de bijdrage van iedereen nodig”, zegt een van de corresponderende auteurs Khalil Amine, Argonne Distinguished Fellow en Joint Professor aan de Universiteit van Chicago, “Als mensen er niet op vertrouwen dat batterijen veilig en duurzaam zijn, zullen ze er niet voor kiezen om ze te gebruiken.”

Vanwege de al lang bestaande kraakproblemen in lithium-ionbatterijen die polykristallijne Ni-rijke materialen (PC-NMC) in hun kathodes gebruiken, hebben onderzoekers zich de afgelopen jaren gericht op monokristallijne Ni-rijke gelaagde oxiden (SC-NMC). Maar ze hebben niet altijd vergelijkbare of betere prestaties laten zien dan het oudere model.

Het nieuwe onderzoek, uitgevoerd door eerste auteur Jing Wang tijdens haar Ph.D. periode, onder gezamenlijk toezicht van professor Shirley Meng’s Laboratory for Energy Storage and Conversion en Amine’s Advanced Battery Technology-team, bracht het onderliggende probleem aan het licht:aannames op basis van polykristallijne kathoden werden onjuist toegepast op materialen met één kristal.

"Wanneer mensen proberen over te stappen op éénkristalkathodes, hebben ze soortgelijke ontwerpprincipes gevolgd als de polykristallijne kathodes", zegt Wang, nu een postdoctoraal onderzoeker die samenwerkt met de Universiteit van Chicago en Argonne. “Ons werk identificeert dat het belangrijkste degradatiemechanisme van de eenkristaldeeltjes verschilt van die van de polykristallijne deeltjes, wat leidt tot verschillende samenstellingsvereisten.”

“Er zijn niet alleen nieuwe ontwerpstrategieën nodig, maar er zullen ook verschillende materialen nodig zijn om éénkristalkathodebatterijen te helpen hun volledige potentieel te bereiken”, zegt Meng, tevens directeur van de Energy Storage Research Alliance (ESRA), gevestigd in Argonne. “Door beter te begrijpen hoe verschillende soorten kathodematerialen degraderen, kunnen we helpen bij het ontwerpen van een reeks hoogfunctionerende kathodematerialen voor de energiebehoeften van de wereld.”

Terwijl een polykristallijne kathodebatterij oplaadt en ontlaadt, zwellen en krimpen de kleine, gestapelde primaire deeltjes. Deze herhaalde uitzetting en inkrimping kan de korrelgrenzen die de polykristallen scheiden verbreden, vergelijkbaar met hoe herhaaldelijk invriezen en ontdooien kuilen in stadsstraten veroorzaakt. "Normaal gesproken zal het volume met ongeveer vijf tot tien procent toenemen of krimpen", aldus Wang. “Zodra een uitzetting of krimp de elastische grenzen overschrijdt, zal dit leiden tot het barsten van de deeltjes.”

Als de scheuren te veel groter worden, kan er elektrolyt binnendringen, wat kan leiden tot ongewenste nevenreacties en het vrijkomen van zuurstof, wat veiligheidsrisico's kan veroorzaken, waaronder het risico op thermische overstroming. Maar afgezien van deze dramatische omstandigheden is een meer dagelijks effect capaciteitsvermindering:de batterijen vervagen na verloop van tijd en worden steeds minder in staat dezelfde lading te leveren als toen ze nieuw waren. Omdat ze niet uit veel gestapelde kristallen zijn gemaakt, hebben kathodematerialen met één kristal niet die beginnende korrelgrenzen, maar ze waren nog steeds degraderend.

"We hebben aangetoond dat degradatie in NMC-kathodes met één kristal voornamelijk wordt bepaald door een duidelijke mechanische faalwijze", zegt een andere overeenkomstige auteur, Tongchao Liu, een scheikundige in Argonne. “Door dit tot nu toe ondergewaardeerde mechanisme te identificeren, legt dit werk een direct verband tussen materiaalsamenstelling en afbraakroutes, waardoor dieper inzicht wordt verkregen in de oorsprong van prestatieverlies in deze materialen.”

Met behulp van synchrotron-röntgentechnieken op meerdere schaal en een transmissie-elektronenmicroscoop met hoge resolutie ontdekten ze dat scheuren in monokristallijne kathodes voornamelijk worden veroorzaakt door reactieheterogeniteit. Deeltjes ondergingen reacties met verschillende snelheden, waardoor spanning niet tussen veel kristallen ontstond, zoals bij polykristalontwerpen, maar binnen één kristal.

Polykristalkathodes zijn een evenwichtsoefening tussen nikkel, mangaan en kobalt. Kobalt veroorzaakt barsten, maar was nodig om een ander probleem te verhelpen:de Li/Ni-stoornis.

Door één nikkel-kobaltbatterij (geen mangaan) en één nikkel-mangaanbatterij (geen kobalt) te bouwen en te testen, ontdekte het team dat voor monokristallijne kathoden het tegenovergestelde waar was. Mangaan was mechanisch schadelijker dan kobalt en kobalt zorgde er juist voor dat batterijen langer mee gingen.

Kobalt is echter duurder dan nikkel of mangaan. Wang zei dat de volgende stap van het team om deze laboratoriuminnovatie om te zetten in een echt product het vinden van goedkopere materialen is die de goede resultaten van kobalt nabootsen.

‘Vooruitgang komt in cycli,’ zei Amine. "Je lost een probleem op en gaat dan verder met het volgende. De inzichten die in dit samenwerkingsdocument worden beschreven, zullen toekomstige onderzoekers helpen veiligere materialen met een langere levensduur te creëren voor de batterijen van morgen."

Neem voor meer informatie contact op met Khalil Amine op Dit e-mailadres wordt beschermd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien..