Forskere femdobler levetiden for NMC811-batterier i test

Elbilkøbere taler ofte om rækkevidde, ladehastighed og pris. Men på lidt længere sigt er der noget andet, der kan blive mindst lige så vigtigt: hvor hurtigt batteriet slides.

Nu har forskere fra University of Arkansas præsenteret en løsning, der kan blive særdeles interessant for fremtidens elbiler. I laboratorieforsøg har de nemlig fået en batteritype med høj energitæthed til at holde markant længere ved hjælp af en ekstremt tynd beskyttende belægning. Det kan lyde som en lille detalje. Men konsekvensen kan være stor.

Problemet med moderne elbilbatterier

Forskerne har arbejdet med NMC811, en lithium-ion-kemi, som er attraktiv i elbiler, fordi den kombinerer høj energitæthed med relativt lave omkostninger. Netop derfor er den også interessant for bilbranchen. Men kemien har en velkendt bagside.

Når batteriet bliver opladet og afladet mange gange, kan katoden begynde at frigive ilt. Det sætter gang i en række uønskede kemiske reaktioner inde i cellen, hvor elektrolytten bliver nedbrudt, der dannes skadelige biprodukter, og batteriet gradvist mister ydeevne. Samtidig kan det øge risikoen for ustabilitet i cellen. Kort sagt: Batteriet bliver slidt hurtigere, end man ønsker.

Et nanolag skal stoppe nedbrydningen

Løsningen fra forskerne er et ultratyndt lag zirkoniumsulfid, som er lagt direkte på katoden. Laget er kun to nanometer tykt, men det har en vigtig funktion. Når ilt frigives under batteriets drift, reagerer belægningen med ilten og omdannes til zirkoniumsulfat. På den måde bliver ilten fanget, før den når at skabe de kemiske problemer, som ellers slider batteriet ned indefra.

Det betyder, at laget i praksis fungerer som en slags kemisk støddæmper. Samtidig hjælper belægningen med at stabilisere overfladen mellem katoden og elektrolytten og mindske den type mikroskader og revner, som ellers opstår over tid i højenergibatterier.

Resultatet er markant

Ifølge forskerne er effekten alt andet end marginal. Ubehandlede NMC811-katoder holder typisk omkring 200 opladningscyklusser, før ydelsen falder kraftigt. Med den nye coating fortsatte batterierne derimod i mere end 1.000 cyklusser. Det er i praksis en femdobling af levetiden i test.

Forskerne oplyser også, at de coatede batterier stadig bevarede omkring 60 procent af kapaciteten efter 1.300 cyklusser. Det peger på, at teknologien ikke bare forsinker nedbrydningen lidt, men faktisk kan bremse et af de største problemer i denne batteritype ganske markant.

Et lille lag med stor betydning

Studiet er offentliggjort i tidsskriftet Small, og forskerne mener selv, at sulfider kan udvikle sig til en ny klasse af beskyttende lag i lithium-ion-batterier. Xiangbo “Henry” Meng, som har ledet arbejdet, beskriver dem som “robuste, rene og antioxidative beskyttelseslag på batterikatoder.”

Der er dog en vigtig krølle. Forsøgene er foreløbig lavet i små laboratorieceller, såkaldte coin cells, og ikke i komplette batteripakker som dem, der sidder i elbiler. Det betyder, at der stadig er et stykke vej fra lovende laboratorieresultater til færdige batterier på vejene.

Alligevel er forskningen interessant, fordi den adresserer et af branchens største dilemmaer: Hvordan får man batterier med høj energitæthed til også at holde længe? Bilproducenter vil gerne have batterier, der kan lagre meget energi på lidt plads, fordi det giver bedre rækkevidde uden at gøre bilen tungere og dyrere. Men høj energitæthed har ofte en pris i form af hurtigere slitage. Hvis denne type beskyttelse kan skaleres op, kan det derfor få direkte betydning for både levetid, brugsværdi og gensalgsværdi.

Hvad er NMC811?

NMC er navnet på en hel familie af batterikemier, hvor katoden er bygget op af nikkel, mangan og kobolt. NMC811 er en mere specifik version i den familie, hvor tallene angiver forholdet mellem metallerne: 8 dele nikkel, 1 del mangan og 1 del kobolt. Det høje nikkelindhold giver typisk højere energitæthed og kan være godt for rækkevidde, men gør også batteriet mere krævende at stabilisere og kan øge slitagen, hvis det ikke beskyttes godt nok. Kort sagt: NMC er paraplybetegnelsen, mens NMC811 er en bestemt og mere energitæt undergruppe.

Forskere femdobler levetiden for NMC811-batterier i test