De siste årene har nikkelrike katodematerialer fått økt oppmerksomhet fordi de har evne til å lagre mye energi. Ifølge International Energy Agency’s Global EV Outlook 2023, hadde nesten to av tre lette elektriske kjøretøy produsert i 2022, batterier med en nikkelrik katode. Disse katodene har imidlertid en skjult utfordring som påvirker deres sykluslevetid og generelle pålitelighet.
– Nikkelrike katoder, sammensatt av materialkombinasjoner som vi forkorter til NMC811 (LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2), er favoritter i bilindustrien, forteller batteriforsker Nils Peter Wagner i SINTEF.
Men, det er ett men:
– Disse katodenes evne til å lagre store mengder energi gjør dem ideelle for å drive elektriske kjøretøy, forlenge rekkevidden og redusere behovet for hyppig lading. De har imidlertid noen ulemper. En av dem er deres sykluslevetid – antall lade-utladningssykluser batteriene kan tåle.
Nylig publisert artikkel
Wagner er kjemiker og har jobbet med elektrokjemisk lagring siden 2013. Han er dessuten medlem av SINTEFs forskningsgruppe på batteriteknologier og jobber med flere EU-finansierte prosjekter om batterilagring.
Nylig publiserte han en artikkel om effektene av ladesykluser på NMC811 grafittceller, med tittelen “Rest in phase transition: Should charging habits in next generation EVs be adapted?”
Artikkelen besvarer spørsmålet som enhver eier av et elektrisk kjøretøy lurer på: Hva er den ideelle prosentandelen av batterikapasiteten å lade, hvis du vil at batteriet skal vare?
For å forstå hvorfor nikkelrike katoder møter utfordringer, la oss dykke ned i den fascinerende verdenen av (de)lithiering. Når et litium-ion-batteri lades eller utlades, gjennomgår katoden intrikate strukturelle endringer.
Tenk deg et dansegulv der atomer bytter posisjoner, og musikken er strømmen av litiumioner. Ved høye ladetilstander skjer noe bemerkelsesverdig: den nikkelrike katoden går fra en heksagonal struktur til en annen heksagonal ordning. Dette skiftet i dansetrinn påvirker det som kalles enhetscelleparametrene – de grunnleggende strukturene i katodematerialet.
Den heksagonale-heksagonale overgangen
Den heksagonale-heksagonale overgangen er like krevende å forstå som den er å uttale, men den er avgjørende. Under denne overgangen endres katodens gitterparametere – i hovedsak avstanden mellom atomene – dramatisk. Dessverre er dette fenomenet ikke en grasiøs vals; det er mer som en plutselig vri på dansegulvet. Og akkurat som en klønete bevegelse under en dans avgjør hvor lenge du eller partneren din holder ut, påvirker disse plutselige bevegelsene batteriets levetid.
Å avdekke mysteriene ved denne heksagonale transformasjonen er en av nøklene til å forstå hvordan man kan få framtidas batterier til å vare lenger:
I en nylig studie ladet Wagner NMC811 grafittceller opp til 95 prosent ladetilstand. Deretter ble de lagret i ti timer hver sjette syklus. Disse cellene ble deretter sammenlignet med to andre grupper: Den første var celler ladet uten hvile og med høy ladetilstand. Den andre var celler som var ladet til 100 prosent, men som ikke fikk hviletid før de ble tatt i bruk.
– Dataene avslørte en fascinerende historie. Hvile av litium-ion-celler (basert på nikkelrike katoder) førte til dårligere kapasitet, sammenlignet med batteriene som var ladet opp 100 prosent, sier forskeren.
Med andre ord, å la batteriet hvile i ti timer ved 95 prosent ladetilstand, skadet batteriets ytelse. Det er som om katoden snublet under sin heksagonale overgang, noe som påvirket dens evne til å tåle flere sykluser.
Avgjørende forståelse for fremtidige batterier
Å forstå disse intrikate oppførslene er avgjørende for å forbedre batteridesign og levetid. Forskere utforsker nå hvordan vi kan dempe virkningen av heksagonale overganger i batterier, fordi trenden er at stadig flere batterier har stort nikkelinnhold. Målet er å få framtidas batterier til å danse grasiøst gjennom disse strukturelle endringene, slik at de får både høy energitetthet og forlenget sykluslevetid.
Så neste gang du plugger inn elbilen, husk den skjulte dansen inni – den som driver reisen din og holder hjulene i gang. Enn så lenge er rådet å holde seg til 80 prosent lading, så fremt du ikke skal kjøre videre med en gang.
Forskningen presentert i denne artikkelen er utført som en del av det norske forskningssenteret for nullutslipps energisystemer for transport – FME MoZEES.
