Istraživači iz Argonne National Laboratory i Sveučilišta u Chicagu riješili su dugogodišnju zagonetku o degradaciji litij-ionskih baterija koje se koriste u električnim vozilima.
Studija objavljena u časopisu Nature Nanotechnology otkriva zašto monokristalne katode, koje su razvijene kao sigurnija i trajnija alternativa tradicionalnim polikristalnim katodama, ipak zakazuju prije očekivanog.
Monokristalne katode dizajnirane su bez granica zrna – slabih točaka na kojima obično nastaju pukotine. Za razliku od polikristalnih katoda koje su sastavljene od brojnih sitnih kristala sa spojevima između njih, monokristalne katode napravljene su kao jedan cjelovit kristal. Unatoč tome, i dalje su se degradirale, što je zbunjivalo znanstvenike.
"Kada se prelazi na monokristalne katode, primjenjuju se načela dizajna kao i kod polikristalnih. Naš rad pokazuje da je glavni mehanizam degradacije monokristalnih čestica drugačiji", objašnjava Jing Wang, prva autorica studije.
Koristeći sinkrotronsko rentgensko zračenje i elektronsku mikroskopiju visoke rezolucije, istraživači su otkrili da različite regije unutar jedne čestice reagiraju različitim brzinama. To stvara unutarnje naprezanje koje uzrokuje pukotine iznutra.
Istraživanje je donijelo i neočekivano otkriće o materijalima. U polikristalnim katodama kobalt potiče pucanje, ali u monokristalnim katodama ima suprotan učinak – poboljšava trajnost. Mangan, s druge strane, uzrokuje više mehaničke štete.
"Boljim razumijevanjem kako se različite vrste katodnih materijala degradiraju, možemo dizajnirati niz visokofunkcionalnih materijala", kaže Shirley Meng, direktorica Energy Storage Research Alliance u Argonneu.
Glavni izazov ostaje cijena – kobalt je skup materijal. Sljedeći korak istraživanja je pronaći jeftinije materijale s istim stabilizacijskim učinkom.
"Elektrifikacija društva zahtijeva doprinos svih. Ako ljudi ne vjeruju da su baterije sigurne i dugotrajne, neće ih odabrati za upotrebu", zaključuje Khalil Amine, istaknuti znanstvenik u Argonneu.
