Это ваш никель: небольшие изменения в материалах могут привести к большим улучшениям в быстрой зарядке.
Ключ к разработке аккумуляторной батареи электромобиля, которая может заряжаться так же быстро, как требуется для заправки автомобиля бензином, заключается в ее материалах.
Катодные материалы с высоким содержанием никеля и слоистым оксидом потенциально могут ускорить зарядку аккумуляторов электромобилей, продлить срок их службы и продлить срок их службы. Теперь группа исследователей во главе с Национальной лабораторией Айдахо выяснила, что катоды, изготовленные из материала с высоким содержанием никеля под названием NMC811 (80% никеля, 10% марганца , 10% кобальта ), сохраняют более длительный срок службы и лучшую производительность. Хотя это не новый химический состав, NMC811 может предложить путь к повышению производительности. Понимание его свойств будет ключом.
Мир находится на переломном этапе с электромобилями . В 2022 году 5,8% новых автомобилей, купленных американцами, были электрическими по сравнению с 3,2% в 2021 году, а общий объем продаж электромобилей впервые превысил 800 000 единиц. Но одной из проблем отрасли является разработка батареи, которая может многократно заряжаться в течение 10–15 минут. Чрезвычайно быстрая зарядка создает значительную нагрузку на каждый компонент батареи, а различия в химическом составе, материалах и конструкции электродов могут сильно повлиять на производительность.
Литий -ионный аккумулятор обеспечивает питание за счет перемещения ионов через электролиты от катода к аноду. В то время как исследователи начинают лучше понимать литиевое покрытие анодов, они меньше понимают влияние экстремально быстрой зарядки на катоды. Теперь исследователи INL под руководством Танвира Танима опубликовали в июньском выпуске журнала Advanced Energy Materials за 2022 год статью «Всестороннее понимание эффектов старения при экстремально быстрой зарядке катода NMC с высоким содержанием никеля». В статье объясняется, что по мере того, как аккумуляторная промышленность переходит на катоды с более высоким содержанием никеля, нам потребуется полное понимание того, как материалы могут деградировать во время экстремально быстрой зарядки.
Исследование команды подробно описывает старение NMC811 в различных условиях быстрой зарядки, самые экстремальные из которых эквивалентны пробегу более 200 000 миль. В документе производительность NMC811 сравнивается с NMC532 (50% никеля, 30% марганца, 20% кобальта), преобладающего материала в батареях, когда исследования начались более пяти лет назад.
При различных скоростях быстрой зарядки команда под руководством INL использовала ряд электрохимических методов для оценки заряда аккумуляторных элементов от 35% до 100%. Исследования были сосредоточены на механизмах отказа, в том числе на том, как частицы механически разрушаются во время циклирования. Чтобы увидеть, сколько трещин произошло при различных условиях циклирования, исследователи использовали передовые методы сканирующей электронной микроскопии для изучения архитектуры частиц.
Сравнивая два катодных материала, Таним сказал, что они были удивлены тем, что, хотя NMC811 показал большую деградацию под поверхностью, он показал более высокие показатели срока службы по сравнению с NMC532. Он частично объяснил это тем, что молекулы в NMC811 расположены таким образом, что создают более свободные пути для ионов лития. NMC811 также имеет более высокую электрическую и ионную проводимость, чем NMC532, что увеличивает количество заряда, которое батарея может удерживать при многократном использовании.
Кроме того, NMC811 показал более медленный рост импеданса. Импеданс является мерой внутреннего сопротивления и важен, потому что высокое сопротивление вызывает нагрев батареи, снижение напряжения и уменьшение емкости элемента до такой степени, что он становится непригодным для использования. Аккумулятор с низким импедансом обеспечивает высокий ток по требованию.
В целом, NMC811 показал более высокую удельную энергию ( электрическую энергию , которую можно получить от элемента за один цикл разряда, деленную на массу отдельного элемента) и лучшую электропроводность, чем разновидности с более низким содержанием никеля. Поскольку кобальт ограничен в количестве и дорог, более низкое содержание кобальта в NMC811 также указывает на более низкую стоимость.
Исследования, проводимые в национальных лабораториях, передаются Министерству энергетики США, которое делится ими с научным сообществом, разработчиками аккумуляторов и автомобильной промышленностью . «Некоторые производители автомобилей уже начали использовать NMC811 на катодах, что делает исследование особенно актуальным», — сказал Таним.
Таним указал, что сложное влияние ориентации зерна и архитектуры на характеристики отдельных частиц будет в центре внимания будущей работы. Однако в целом исследовательская группа пришла к выводу, что катоды из NMC811 могут быть лучшим выбором для аккумуляторов электромобилей, которые можно заряжать за 10–15 минут. «NMC811 обеспечит большую гибкость для оптимизации батареи как для высокой энергии, так и для мощности», — говорится в документе.
