Nickels roll i framtidens batterier för elfordon är tydlig: Det finns i större mängd och är lättare att få tag på än kobolt, som används i stor utsträckning, och dess högre energitäthet innebär längre körsträckor mellan laddningarna.
Nickel är dock mindre stabilt än andra material när det gäller livslängd, termisk stabilitet och säkerhet. Forskare från University of Texas i Austin och Argonne National Laboratory vill ändra på detta med en ny studie som djupdyker i nickelbaserade katoder, en av de två elektroder som möjliggör energilagring i batterier.
”Katoder med hög nickelhalt har potential att revolutionera elbilsmarknaden genom att ge längre räckvidd”, säger Arumugam Manthiram, professor vid Walker Department of Mechanical Engineering och Texas Materials Institute och en av ledarna för studien som publiceras i Nature Energy.
”Vår studie ger en omfattande analys av deras termiska stabilitet, vilket är avgörande för att utveckla säkrare batterier.”
Forskargruppen genomförde mer än 500 mätningar på 15 katodmaterial med hög nickelhalt. De upptäckte att varje katod har ett kritiskt laddningstillstånd som definierar dess säkra driftsgräns. Styrkan i metall-syrebindningarna och reaktiviteten i ytan påverkar detta kritiska tillstånd.
När materialet överskrider denna gräns smyger sig instabilitet in. Det kan utlösa det katastrofala tillståndet termisk rusning, när ökad temperatur frigör energi som ytterligare värmer upp batteriet, vilket avsevärt ökar risken för fel och/eller bränder.
Som en del av projektet har forskarna utvecklat ett index för termisk stabilitet, som kvantifierar hur materialet reagerar under termisk rusning. Faktorer som påverkar katodens termiska stabilitet är bland annat katodens sammansättning, ytkemi, nickelinnehåll och kristallstorlek.
Den här forskningen har långtgående konsekvenser och banar väg för säkrare och effektivare batterier som kan tillgodose den växande efterfrågan på elfordon. I takt med att världen rör sig mot renare energilösningar är dessa framsteg avgörande för att göra elbilar mer lönsamma och attraktiva för konsumenterna.
”Vårt arbete ger en färdplan för industrin att följa och säkerställer att den höga energitätheten i dessa katoder inte sker på bekostnad av säkerheten”, säger Zehao Cui, forskningsassistent i Manthirams grupp.
Forskarna kommer att fortsätta sitt arbete med termisk stabilitet och katoder. Därefter kommer de att ta in elektrolyter i ekvationen.
Elektrolyter är de kemiska komponenter, ofta vätskebaserade, som transporterar de laddningsbärande jonerna fram och tillbaka. De möjliggör batteriets laddnings- och urladdningsfunktionalitet, och att säkerställa tillförlitliga interaktioner mellan elektrolyter och katoder är avgörande för att förbättra batterisäkerheten.
För mer information: Zehao Cui et al, Navigating thermal stability intricacies of high-nickel cathodes for high-energy lithium batteries, Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01731-x
