Badanie: Ekspozycja na powietrze przyspiesza starzenie się baterii bogatych w nikel

Naukowcy z Uniwersytetu Hanyang w Korei Południowej odkryli dotychczas przeoczony mechanizm starzenia się materiałów katodowych bogatych w nikel, pozbawionych kobaltu. Ich badania wskazują, że samo przechowywanie materiałów prekursorowych na powietrzu może wywołać zmiany chemiczne, które znacznie skracają żywotność baterii.

Naukowcy skupili się na katodach bez kobaltu, które mają jądro bogate w nikel oraz powłokę bogatą w mangan. Materiały te są uważane za obiecujące rozwiązanie w celu zwiększenia zasięgu pojazdów elektrycznych przy jednoczesnym zmniejszeniu zależności od kluczowego surowca – kobaltu. Jednak zespół odkrył, że samo przechowywanie materiałów prekursorowych na powietrzu może wywołać zmiany chemiczne, które przyspieszają starzenie się baterii.

Zgodnie z badaniem przechowywanie materiałów prekursorowych w powietrzu powoduje utlenianie manganu na powierzchni cząstek. To utlenianie tworzy uszkodzone obszary powierzchniowe zawierające tak zwane zniekształcone formy manganu typu Jahn-Teller. Formy te reagują szczególnie silnie z elektrolitem, przyspieszają rozpuszczanie się metali przejściowych i wywołują szkodliwe reakcje na anodzie z grafitu. W badanych systemach baterii bogatych w nikel naukowcy stwierdzili, że ten efekt niemal podwoił stratę pojemności podczas długoterminowych testów cyklingowych.

„Odkryliśmy, że warstwa bogata w mangan, która zwykle jest stosowana do ochrony katod wysokoniaklowych, może natomiast stać się katalizatorem degradacji, jeśli chemia materiałów prekursorowych nie jest starannie kontrolowana” – wyjaśnił prof. Bang – „Nawet niewielkie zmiany w sposobie przechowywania materiałów prekursorowych mogą znacząco wpłynąć na stabilność baterii.”

Jako potencjalne rozwiązanie badacze proponują zwiększenie zawartości litu podczas syntezy. Zgodnie z badaniem, ta metoda hamuje tworzenie się wadliwej fazy powierzchniowej i przywraca stabilną wiązanie manganu z tlenem. W testach katody wyprodukowane tą metodą zachowały ponad 90% swojej pojemności, co pokazuje znacznie lepszą stabilność długoterminową.

Zespół badawczy uważa, że uzyskane wyniki dostarczają ważnych informacji na temat rozwoju katod wysokoenergicznych bez kobaltu. Podkreślają, że samo usunięcie kobaltu nie jest wystarczające. „Nasze wyniki pokazują, że nawet niewielkie różnice w historii surowców mogą mieć poważne konsekwencje dla wydajności baterii, co sprawia, że zarządzanie surowcami jest ważnym czynnikiem do rozważenia przy produkcji na dużą skalę” – dodał prof. Bang.

Zdaniem badaczy staranne kontrolowanie procesu obróbki materiałów oraz stochiometrii litu mogłoby zapewnić stosunkowo prostą drogę do tworzenia bardziej trwałych baterii, bez konieczności stosowania drogich dodatkowych powłok lub fundamentalnych zmian w liniach produkcyjnych.

Dla jasności, badanie nie analizuje baterii LFP i NMC używanych we większości dzisiejszych pojazdów elektrycznych. Zamiast tego koncentruje się na katodach bez kobaltu, bogatych w nikel, z bogatymi w mangan warstwami ochronnymi, które są rozwijane jako potencjalni następcy obecnych baterii jonowych litu bogatych w nikel. Wyniki badania dostarczają zatem wskazówek dotyczących rozwoju przyszłych baterii trakcyjnych, pokazując, że długoterminowa trwałość zależy nie tylko od chemii baterii, ale także od starannego kontrolowania procesu produkcji.