Zašto baterije električnih vozila eksplodiraju brže nego što smo mislili?

Dugo se vjerovalo da će monokristalne katode riješiti probleme trajnosti baterija jer im nedostaju unutarnji spojevi (granice zrna) gdje obično nastaju pukotine. No, nova studija, objavljena u časopisu Nature Nanotechnology, otkriva da neki monokristali mogu početi pucati iznutra nakon samo oko 100 ciklusa punjenja i pražnjenja.

Zašto nikal nije dovoljan? Većina proizvođača električnih vozila kladi se na katode s visokim udjelom nikla, jer to omogućuje veću gustoću energije i dulji domet. Problem nastaje pri visokim naponima, kada uklanjanje litija slabi veze kisika u strukturi. Kada se stvore pukotine, tekući elektrolit prodire u njih, izazivajući neželjene kemijske reakcije. Ove reakcije ne samo da smanjuju kapacitet, već i povećavaju zagrijavanje, a time i rizik od požara.

Istraživački tim predvođen dr. Jing Wangom čak je otkrio da problem nisu spojevi, već neravnomjerno kretanje litijevih iona. Unutar jedne kristalne čestice, neka područja apsorbiraju litij brže od drugih. To stvara nedosljednosti u kristalnoj rešetki:

– Površina čestice se brzo mijenja, dok jezgra zaostaje.
– Kada širenje ili skupljanje prijeđe granicu elastičnosti materijala, kristal puca.
– Brzo punjenje povećava te rizike prisiljavajući litij da se kreće još brže i manje ravnomjerno.

Iako industrija pokušava smanjiti upotrebu skupog kobalta, testovi su pokazali da mala količina ovog elementa u monokristalima zapravo pomaže. Kobalt „ublažava“ protok litija i smanjuje stvaranje zona visokog napona. S druge strane, mangan u tim uzorcima usporio je reakcije i povećao vjerojatnost pucanja, unatoč tome što je jeftinija i etički manje kontroverzna alternativa.

Znanstvenici sada ističu da budućnost baterija možda ne leži u maksimiziranju energije, već u osiguravanju ujednačenih reakcija u cijelom materijalu. Sljedeći korak bit će prijenos tih spoznaja iz laboratorijskih čestica na pune baterijske ćelije koje će morati izdržati stvarne uvjete vožnje. Cilj je pronaći dostupne elemente koji će stabilizirati nikal bez uzrokovanja novih oblika unutarnjih oštećenja.