Растущий спрос на электромобили (EV) в автомобильной промышленности привлек внимание к важности материалов в технологии батарей.
Из-за его изобилия и преимуществ перед кобальтом, распространенный заменитель — никель — привлекает все больше внимания.
Благодаря более высокой плотности энергии никеля, автомобили могут проехать большее расстояние на одной зарядке, что привлекает как производителей, так и потребителей.
Более безопасные высокоэнергетические никелевые батареи
Однако нельзя игнорировать трудности, связанные с аккумуляторами на основе никеля.
Из-за своей репутации нестабильного никеля возникают вопросы безопасности, термической стабильности и срока службы.
Чтобы решить эти проблемы, исследователи из Техасского университета в Остине начали тщательное изучение катодов на основе никеля, необходимых для работы батарей.
Арумугам Мантирам, профессор кафедры машиностроения Уокера и Техасского института материалов, является одним из главных исследователей, участвующих в этом исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature Energy.
«Высоконикелевые катоды способны произвести революцию на рынке электромобилей, обеспечив большую дальность поездки», — говорит Мантирам. Наше исследование дает тщательный анализ их термической стабильности, что очень важно для разработки более безопасных батарей».
Исследовательская группа провела комплексную оценку, выполнив более 500 измерений 15 катодных материалов с высоким содержанием никеля.
Одним из ключевых результатов исследования стало определение критического уровня заряда для каждого материала катода, который создает безопасный рабочий предел. Этот порог зависит от нескольких переменных, таких как реактивность поверхности и прочность связей металл-кислород.
При приближении к этому критическому уровню заряда материалы батарей проявляют нестабильность.
Если эти нестабильности не контролировать, они могут привести к тепловому разгону — опасной ситуации, когда батарея становится еще горячее, поскольку повышение температуры приводит к высвобождению энергии.
В связи с этим явлением производители и потребители все больше заботятся о безопасности, что резко повышает риск выхода аккумулятора из строя и возгорания.
Обещание безопасности без ущерба для скорости
Исследователи создали индекс термической стабильности, чтобы уменьшить эти опасности.
Этот индекс измеряет поведение различных материалов в ситуациях, близких к тепловому разрыву.
Состав, размер кристаллов, концентрация никеля и химический состав поверхности катодов являются важными переменными, влияющими на их термическую стабильность.
Это открытие имеет далеко идущие последствия для технологии электромобилей.
Эффективность и безопасность аккумуляторов имеют решающее значение, поскольку глобальное движение в сторону экологически чистой энергии продолжает набирать обороты.
Исследование представляет собой важную основу, которая может помочь производителям усовершенствовать конструкцию батарей, сохранив при этом преимущества высокой плотности энергии, связанной с никелем.
Цехао Цуй, научный сотрудник, работающий над проектом, говорит:Наша работа представляет собой «дорожную карту», которой должна следовать промышленность, гарантируя, что высокая плотность энергии этих мишеней не будет идти в ущерб безопасности».
В будущем ученые намерены продолжить изучение связей между этими катодами на основе никеля и электролитами, еще одной важной частью аккумуляторной технологии.
Электролиты, которые обычно являются жидкостями, способствуют прохождению ионов, несущих заряд, через батарею.
Повышение производительности и безопасности батарей требует надежного и безопасного взаимодействия электролита и катода.
Достижения в области аккумуляторных технологий, подобные тем, которые были получены в ходе данного исследования, будут иметь большое значение для дальнейшей электрификации автомобильной промышленности и жизнеспособности и безопасности электромобилей для потребителей во всем мире.
