Nová lithium-iontová baterie bez obsahu kobaltu snižuje náklady bez obětování výkonu

Původně publikováno na The Cockrell School of Engineering na Texaské univerzitě v Austinu

AUSTIN, Texas – Po desetiletí výzkumníci hledali způsoby, jak odstranit kobalt z vysokoenergetických baterií, které napájejí elektronická zařízení, kvůli jeho vysoké ceně a dopadům jeho těžby na lidská práva. Ale minulé pokusy nesplnily výkonnostní standardy baterií s kobaltem.

Obrázek s laskavým svolením UT News, Texaská univerzita v Austinu, Tyto vzorky prášku budou vyrobeny tak, aby se staly katodou bez kobaltu.

Výzkumníci z Cockrell School of Engineering na Texaské univerzitě v Austinu tvrdí, že rozluštili kód vysokoenergetické lithium-iontové baterie bez kobaltu, čímž eliminovali kobalt a otevřeli dveře ke snížení nákladů na výrobu baterií při současném posílení. výkon v některých ohledech. Tým oznámil novou třídu katod – elektrodu v baterii, kde se obvykle nachází veškerý kobalt – ukotvené vysokým obsahem niklu. Katoda v jejich studii obsahuje 89 % niklu. Mangan a hliník tvoří další klíčové prvky.

Více niklu v baterii znamená, že může uložit více energie. Tato zvýšená hustota energie může vést k delší životnosti baterie u telefonu nebo k většímu dojezdu u elektromobilu s každým nabitím.

Zjištění se objevila tento měsíc v časopise Advanced Materials. Článek napsal Arumugam Manthiram, profesor na Walkerově katedře strojního inženýrství a ředitel Texas Materials Institute, Ph.D. student Steven Lee a Ph.D. absolvent Wangda Li.

Abstrakt z pokročilých materiálů :

Vysoký nikl LiNi_1−x−y Mn_x Spolu_y O₂ (NMC) a LiNi_1−x−y Co_x Al_y O₂ (NCA) jsou katodové materiály volby pro vysokoenergetické lithium-iontové baterie příští generace. Jak NMC, tak NCA obsahují kobalt, drahý a vzácný kov, který je obecně považován za nezbytný pro jejich elektrochemické vlastnosti. Zde je vysoký-Ni LiNi_1−x−y Mn_x Al_y O₂ (NMA) katoda s požadovanými elektrochemickými vlastnostmi je demonstrována ve srovnání s NMC, NCA a NMC kodopovanými Al-Mg (NMCAM) s identickým obsahem Ni (89 mol %), syntetizovanými vlastními silami.

Navzdory mírně nižší specifické kapacitě pracuje NMA s vysokým-Ni při vyšším napětí o ≈40 mV a nevykazuje žádné kompromisy ve schopnosti rychlosti ve srovnání s NMC a NCA. Ve váčkových článcích spárovaných s grafitem převyšuje NMA s vysokým obsahem Ni jak NMC, tak NCA a pouze mírně zaostává za NMCAM a komerční katodou po 1000 hlubokých cyklech. Kromě toho se vynikající tepelná stabilita NMA vůči NMC, NCA a NMCAM ukazuje pomocí diferenciální skenovací kalorimetrie. S ohledem na flexibilitu ladění kompozice a okamžitou škálovatelnost syntézy vysoce-Ni NMA velmi podobnou NCA a NMC, tato studie otevírá nový prostor pro vývoj katodového materiálu pro vysokoenergetické Li-ion baterie nové generace bez kobaltu.

Zvýšená hustota energie obvykle vede ke kompromisům, jako je kratší životnost – kolikrát lze baterii nabít a vybít, než ztratí účinnost a již ji nelze plně nabít. Odstranění kobaltu obvykle zpomaluje kinetickou odezvu baterie a vede k nižší rychlosti – jak rychle lze katodu nabít nebo vybít. Vědci však uvedli, že překonali krátkou životnost cyklu a problémy s nízkou rychlostí díky nalezení optimální kombinace kovů a zajištění rovnoměrného rozložení jejich iontů.

Většina katod pro lithium-iontové baterie používá kombinace kovových iontů, jako je nikl-mangan-kobalt (NMC) nebo nikl-kobalt-hliník (NCA). Katody mohou tvořit zhruba polovinu nákladů na materiál pro celou baterii, přičemž nejdražším prvkem je kobalt. Při ceně přibližně 28 500 USD za tunu je dražší než nikl, mangan a hliník dohromady a tvoří 10 až 30 % většiny katod lithium-iontových baterií.

Kobalt je nejméně zastoupenou a nejdražší složkou v bateriových katodách,“ řekl Manthiram. "A my to úplně odstraňujeme."

Klíč k průlomu výzkumníků lze nalézt na atomové úrovni. Během syntézy byli schopni zajistit, aby ionty různých kovů zůstaly rovnoměrně distribuovány po krystalové struktuře v katodě. Když se tyto ionty nahromadí, výkon se sníží a tento problém sužuje předchozí vysokoenergetické baterie bez kobaltu, řekl Manthiram. Tím, že udržovali ionty rovnoměrně rozložené, byli vědci schopni zabránit ztrátě výkonu.

Naším cílem je používat pouze hojné a cenově dostupné kovy k nahrazení kobaltu při zachování výkonu a bezpečnosti,“ řekl Li, „a využít procesy průmyslové syntézy, které jsou okamžitě škálovatelné.“

Manthiram, Li a bývalý postdoktorandský výzkumník Evan Erickson spolupracovali s UT's Office of Technology Commercialization na vytvoření startupu s názvem TexPower, aby uvedli technologii na trh. Výzkumníci získali granty od amerického ministerstva energetiky, které se snažilo snížit závislost na dovozu klíčových materiálů baterií.

Průmysl skočil na tlak bez kobaltu – především snahu společnosti Tesla odstranit materiál z baterií, které pohánějí její elektrická vozidla. S velkými vládními organizacemi a soukromými společnostmi zaměřenými na snižování závislosti na kobaltu není žádným překvapením, že se toto úsilí stalo konkurenceschopným. Výzkumníci uvedli, že se vyhnuli problémům, které bránily dalším pokusům o bezkobaltové vysokoenergetické baterie s inovacemi ve správné kombinaci materiálů a přesné kontrole jejich distribuce.

Zvyšujeme energetickou hustotu a snižujeme náklady, aniž bychom obětovali životnost,“ řekl Manthiram. „To znamená delší dojezdové vzdálenosti pro elektromobily a lepší výdrž baterie u notebooků a mobilních telefonů.“

• Související příběh

• Baterie se probíjejí