John Zich
Jing Wang, seorang peneliti di Universitas Chicago, adalah penulis pertama studi yang mengungkapkan beberapa penyebab utama – dan cara untuk mengurangi – degradasi baterai lithium-ion kristal tunggal
Mekanisme keretakan yang tersembunyi menjelaskan mengapa material baru yang digunakan dalam konstruksi baterai memiliki kinerja yang kurang dari yang diharapkan, sehingga menyebabkan penurunan kapasitas, memperpendek masa pakai dan, dalam beberapa kasus, menyebabkan kebakaran. Solusi ini dapat merevolusi masa depan kendaraan listrik.
Tim peneliti dari School of Molecular Engineering di University of Chicago dan Argonne National Laboratory di AS, memecahkan misteri itu dari kegagalan tersembunyi yang menyebabkan penurunan kapasitas, memperpendek umur dan, dalam beberapa kasus, kebakaran pada baterai kendaraan listrik.
Yang baru belajardisajikan dalam sebuah artikel yang diterbitkan di Nature Nanotechnology, mengungkapkan penyebab utama, dan cara untuk menguranginya tekanan skala nanoskopik yang dapat menyebabkan retak dalam baterai lithium-ion kristal tunggal, jenis baterai yang semakin populer untuk kendaraan listrik dan teknologi lainnya.
“Elektrifikasi masyarakat membutuhkan kontribusi semua orang”kata guru Khalil Aminpeneliti di U.Chicago dan salah satu penulis yang sesuai artikel, di penyataan dari universitas. “Jika masyarakat tidak percaya bahwa baterai aman dan tahan lama, mereka tidak akan memilihnya”.
Karena masalah retak Lama dikaitkan dengan baterai litium-ion yang menggunakan bahan polikristalin kaya nikel (PC-NMC) di katodanya, dalam beberapa tahun terakhir para peneliti telah beralih ke oksida berlapis yang kaya nikel. nikel kristal tunggal (SC-NMC).
Tapi ini tidak selalu menunjukkan kinerja serupaatau lebih tinggi, dari model lama.
Studi baru, dipimpin oleh Jing Wangmahasiswa doktoral di U.Chicago, mengungkapkan masalah mendasarnya: asumsi yang dibuat dari katoda polikristalin sedang dilakukan diterapkan secara tidak benar pada bahan kristal tunggal.
“Ketika orang mencoba beralih ke katoda kristal tunggal, mereka mengikuti prinsip desain mirip dengan polikristal,” jelas Wang, yang saat ini menjadi peneliti pascadoktoral yang bekerja di U.Chicago dan Argonne National Laboratory.
“Studi kami mengidentifikasi hal itu mekanisme degradasi utama dari partikel kristal tunggal Berbeda dengan polikristal, yang mengarah pada persyaratan komposisi yang berbeda”, detail peneliti.
Ruang belajar tidak hanya mempertanyakan desain konvensionalserta bahan yang digunakan, mendefinisikan ulang peran kobalt dan mangan dalam kegagalan mekanis baterai.
“Tidak hanya strategi desain baru yang dibutuhkan; juga akan diperlukan bahan yang berbedasehingga baterai dengan katoda kristal tunggal mencapai potensi penuhnya”, kata profesor Ying Shirley Meng di U.Chicago dan direktur Energy Storage Research Alliance (ESRA) di Argonne, juga penulis yang sesuai artikel tersebut.
Misteri Celah
Saat baterai katoda polikristalin diisi dan dikosongkan, partikel primer kecil, yang ditumpuk berlapis-lapis, membengkak dan mengecil.
Ekspansi dan kontraksi yang berulang-ulang ini dapat memperluas “batas butir” yang memisahkan polikristal – serupa dengan caranya siklus pembekuan dan mencairkan es membuka lubang di jalan kota.
Sebagai “batas butir”, atau “batas butir” baterai adalah antarmuka mikroskopis antara kristal (butiran) di dalam elektroda, tempat orientasi kristal berubah. Batasan ini mempengaruhi pengangkutan ion dan elektron, mempengaruhi kinerja, daya tahan dan kapasitas penyimpanan energi.
“Biasanya ada ekspansi atau kontraksi volume dalam urutan 5 hingga 10%“, jelas Wang. “Saat terjadi ekspansi atau kontraksi melebihi batas elastishal ini menyebabkan retaknya partikel.”
Jika retakan menjadi terlalu lebar, mungkin terjadi a infiltrasi elektrolitmenyebabkan reaksi samping yang tidak diinginkan dan pelepasan oksigen, yang menimbulkan masalah keamanan, termasuk risiko pelarian termal.
Namun, tanpa membahas skenario yang lebih dramatis ini, ada a lebih banyak efek sehari-hari: A degradasi kapasitas: Seiring waktu, baterai kehilangan kinerjanya dan menjadi semakin sedikit mampu memberikan beban yang sama yang mereka kirimkan saat masih baru.
Karena tidak terbuat dari banyak kristal yang bertumpuk, bahan yang digunakan pada katoda kristal tunggal awalnya tidak memiliki batas butir ini. Tapi tetap saja, mereka melanjutkan merendahkan secara misterius.
Studi baru menunjukkan bahwa mengganti material yang digunakan tidak semudah mengganti satu komponen dengan komponen lainnya. “Degradasi pada katoda kristal tunggal NMC sebagian besar diatur oleh mode kegagalan mekanis yang berbeda”, katanya Tongchao Liuahli kimia di Argonne dan salah satu penulis makalah lainnya.
“Dengan mengidentifikasi mekanisme ini, yang sampai sekarang diremehkan, upaya ini menghasilkan a hubungan langsung antara komposisi material dan jalur degradasimenawarkan a pemahaman yang lebih mendalam tentang asal mula kemunduran kinerja dalam bahan-bahan ini”.
Para peneliti telah menemukan bahwa sebagian besar retakan terjadi pada katoda kristal tunggal didorong oleh heterogenitas reaksi. Partikel-partikel itu adalah bereaksi terhadap ritme yang berbeda, menghasilkan ketegangan — bukan di antara beberapa kristal, seperti pada desain polikristalin, tapi dalam satu kristal.
Solusi berbeda
Dalam katoda polikristalin, komposisinya melibatkan a keseimbangan yang halus antara nikel, mangan dan kobalt. Cobalt sebenarnya berkontribusi terhadap cracking, tapi diperlukan untuk mengurangi masalah tertentuyang dikenal oleh peneliti sebagai Gangguan Li/Ni.
Dengan membuat dan menguji baterai nikel-kobalt (tanpa mangan) dan baterai nikel-mangan (tanpa kobalt), tim menemukan bahwa untuk katoda kristal tunggal, perilakunya justru sebaliknya.
HAI mangan terbukti lebih berbahaya dari sudut pandang mekanis daripada kobalt, dan kobalt akhirnya membantu baterai bertahan lebih lama. Namun kobalt lebih mahal dibandingkan nikel atau mangan.
Menurut Jing Wang, langkah selanjutnya dalam mengubah inovasi laboratorium ini menjadi produk yang memiliki penerapan praktis di dunia nyata kini melibatkan penemuan bahan yang lebih murah yang mereproduksi hasil baik yang terkait dengan kobalt.
“Kemajuan terjadi dalam siklus“, kata Khalil Amine. “Anda memecahkan satu masalah dan melanjutkan ke masalah berikutnya. Wawasan yang dijelaskan dalam artikel kolaboratif ini akan membantu para peneliti masa depan di Argonne, U.Chicago, dan tempat lain untuk berkreasi bahan yang lebih aman dan tahan lama untuk baterai besok.”
