Роль никеля в будущем аккумуляторов электромобилей очевидна: он более распространен и его легче добыть, чем широко используемый кобальт, а его более высокая плотность энергии означает более длительное расстояние между зарядками.
Однако никель менее стабилен, чем другие материалы, в отношении срока службы, термической стабильности и безопасности. Исследователи из Техасского университета в Остине и Аргоннской национальной лаборатории намерены изменить это с помощью нового исследования, которое глубоко изучает катоды на основе никеля, один из двух электродов, которые способствуют хранению энергии в батареях.
«Катоды с высоким содержанием никеля могут произвести революцию на рынке электромобилей, обеспечив более длительный запас хода», — сказал Арумугам Мантирам, профессор кафедры машиностроения Уокера и Техасского института материалов, а также один из руководителей исследования, опубликованного в журнале Nature Energy .
«Наше исследование дает комплексный анализ их термической стабильности, что имеет решающее значение для разработки более безопасных аккумуляторов».
Исследовательская группа провела более 500 измерений на 15 материалах катода с высоким содержанием никеля. Они обнаружили, что каждый катод имеет критическое состояние заряда, которое определяет его безопасный эксплуатационный предел. Сила связей металл-кислород и поверхностная реактивность влияют на это критическое состояние.
Как только материал превышает этот предел, возникает нестабильность. Это может спровоцировать катастрофическое состояние теплового разгона, когда повышенная температура высвобождает энергию, которая еще больше нагревает аккумулятор, существенно увеличивая риск выхода из строя и/или возгорания.
В рамках этого проекта исследователи разработали индекс термической стабильности, количественно определяющий, как материал реагирует во время термического разгона. Факторы, влияющие на термическую стабильность катода, включают состав катода , химию поверхности, содержание никеля и размер кристалла.
Это исследование имеет далеко идущие последствия, предлагая путь к более безопасным и эффективным батареям, которые могут удовлетворить растущий спрос на электромобили. Поскольку мир движется к более чистым энергетическим решениям, эти достижения имеют решающее значение для того, чтобы сделать электромобили более жизнеспособными и привлекательными для потребителей.
«Наша работа представляет собой дорожную карту, которой должна следовать отрасль, гарантируя, что высокая плотность энергии этих катодов не будет достигаться за счет безопасности», — сказал Цзэхао Цуй, научный сотрудник группы Мантирама.
Исследователи продолжат работу над термостабильностью и катодами. Далее они введут в уравнение электролиты.
Электролиты — это химические компоненты, часто на основе жидкости, которые перемещают ионы, несущие заряд, туда и обратно. Они обеспечивают заряд и разряд аккумулятора, а обеспечение надежного взаимодействия между электролитами и катодами имеет решающее значение для повышения безопасности аккумулятора.
