Zakaj baterije električnih vozil pokajo hitreje, kot smo mislili?

Dolgo časa je veljalo prepričanje, da bodo monokristalne katode rešile težave z vzdržljivostjo baterij, saj nimajo notranjih stikov (meja med zrni), kjer se običajno začnejo razpoke. Toda nova študija, objavljena v reviji Nature Nanotechnology, razkriva, da lahko nekateri monokristali začnejo pokati od znotraj že po približno 100 ciklih polnjenja in praznjenja.

Zakaj nikelj ni dovolj? Večina proizvajalcev električnih vozil stavi na katode z visoko vsebnostjo niklja, saj ta omogoča večjo gostoto energije in daljši doseg. Težava nastane pri visokih napetostih, ko odstranjevanje litija oslabi kisikove vezi v strukturi. Ko nastanejo razpoke, vanje prodre tekoči elektrolit, kar sproži neželene kemične reakcije. Te reakcije ne le zmanjšujejo kapaciteto, temveč povečujejo segrevanje in s tem tveganje za požar.

Raziskovalna ekipa pod vodstvom dr. Jing Wanga je celo ugotovila, da težava ni v šivih, temveč v nerakomernem gibanju litijevih ionov. Znotraj posameznega kristalnega delca nekateri predeli absorbirajo litij hitreje kot drugi. To ustvarja neskladja v kristalni rešetki:

– Površina delca se hitro spreminja, medtem ko jedro zaostaja.
– Ko raztezanje ali krčenje preseže elastično mejo materiala, kristal poči.
– Hitro polnjenje te tveganja še poveča, saj prisili litij v še hitrejše in manj enakomerno gibanje.

Čeprav se industrija trudi zmanjšati uporabo dragega kobalta, so testi pokazali, da majhna količina tega elementa v monokristalih dejansko pomaga. Kobalt namreč “pogladi” pretok litija in zmanjša nastajanje območij z visoko napetostjo. Po drugi strani pa je mangan v teh vzorcih upočasnil reakcije in povečal verjetnost pokanja, čeprav je cenejša in etično manj sporna alternativa.

Znanstveniki zdaj poudarjajo, da prihodnost baterij morda ne leži v čim večji energiji, temveč v zagotavljanju enakomernih reakcij po celotnem materialu. Naslednji korak bo prenos teh dognanj iz laboratorijskih delcev v polne baterijske celice, ki bodo morale prestati realne pogoje vožnje. Cilj je najti dostopne elemente, ki bodo stabilizirali nikelj, ne da bi povzročali nove oblike notranjih poškodb.