Первоначально опубликовано в Инженерной школе Кокрелла Техасского университета в Остине
Остин, Техас. На протяжении десятилетий исследователи искали способы исключить кобальт из высокоэнергетических батарей, питающих электронные устройства, из-за его высокой стоимости и последствий его добычи для прав человека. Но прошлые попытки не соответствовали стандартам производительности батарей с кобальтом.
Изображение предоставлено UT News, Техасский университет в Остине. Эти образцы порошка будут изготовлены, чтобы стать катодом без кобальта.
Исследователи из Инженерной школы Кокрелла при Техасском университете в Остине говорят, что они взломали код создания высокоэнергетической литий-ионной батареи без кобальта, исключив кобальт и открыв дверь для снижения затрат на производство батарей при одновременном повышении производительности. производительность в некотором роде. Команда сообщила о новом классе катодов — электродах в батареях, где обычно находится весь кобальт — с высоким содержанием никеля. Катод в их исследовании на 89% состоит из никеля. Марганец и алюминий составляют другие ключевые элементы.
Больше никеля в батарее означает, что она может хранить больше энергии. Такая повышенная плотность энергии может привести к увеличению срока службы аккумулятора телефона или увеличению запаса хода электромобиля при каждой зарядке.
Результаты были опубликованы в этом месяце в журнале Advanced Materials. Статья была написана Арумугамом Мантирамом, профессором кафедры машиностроения Уокера и директором Техасского института материалов, доктором философии. студент Стивен Ли и доктор философии. выпускник Вангда Ли.
Резюме из дополнительных материалов :
<цитата>LiNi с высоким содержанием никеля1-x-y Mnх Coг О2 (NMC) и LiNi1−x−y Cox Алг О2 (NCA) являются предпочтительными катодными материалами для высокоэнергетических литий-ионных аккумуляторов следующего поколения. И NMC, и NCA содержат кобальт, дорогой и дефицитный металл, который, как считается, необходим для их электрохимических характеристик. Здесь высоконикелевый LiNi1-x-y Mnх Алг O2 (NMA) катод с желаемыми электрохимическими свойствами продемонстрирован в сравнении с NMC, NCA и NMC, легированным Al-Mg (NMCAM) с идентичным содержанием Ni (89 мол.%), синтезированных собственными силами.
Несмотря на несколько меньшую удельную емкость, NMA с высоким содержанием никеля работает при более высоком напряжении на ≈40 мВ и не демонстрирует компромиссов в скорости передачи по сравнению с NMC и NCA. В пакетных элементах в паре с графитом NMA с высоким содержанием никеля превосходит как NMC, так и NCA и лишь немного уступает NMCAM и коммерческому катоду после 1000 глубоких циклов. Кроме того, превосходная термическая стабильность NMA по отношению к NMC, NCA и NMCAM показана с использованием дифференциальной сканирующей калориметрии. Принимая во внимание гибкость в настройке состава и немедленную масштабируемость синтеза NMA с высоким содержанием никеля, очень похожего на NCA и NMC, это исследование открывает новое пространство для разработки катодного материала для высокоэнергетических литий-ионных аккумуляторов следующего поколения без кобальта.
Как правило, повышенная плотность энергии приводит к компромиссам, таким как более короткий срок службы — количество раз, которое батарея может заряжать и разряжать, прежде чем она потеряет эффективность и больше не сможет быть полностью заряжена. Устранение кобальта обычно замедляет кинетическую реакцию батареи и приводит к снижению скорости — насколько быстро катод может заряжаться или разряжаться. Тем не менее исследователи заявили, что им удалось преодолеть проблемы с коротким сроком службы и низкими скоростями благодаря нахождению оптимальной комбинации металлов и обеспечению равномерного распределения их ионов.
В большинстве катодов для литий-ионных аккумуляторов используются комбинации ионов металлов, такие как никель-марганец-кобальт (NMC) или никель-кобальт-алюминий (NCA). Катоды могут составлять примерно половину стоимости материалов для всей батареи, причем кобальт является самым дорогим элементом. При цене около 28 500 долларов США за тонну он дороже, чем никель, марганец и алюминий вместе взятые, и составляет от 10 % до 30 % большинства катодов литий-ионных аккумуляторов.
<цитата>Кобальт — наименее распространенный и самый дорогой компонент в катодах аккумуляторов», — сказал Мантирам. «И мы полностью его устраняем».
Ключ к прорыву исследователей можно найти на атомном уровне. Во время синтеза им удалось обеспечить равномерное распределение ионов различных металлов по кристаллической структуре катода. По словам Мантирама, когда эти ионы объединяются, производительность снижается, и эта проблема преследовала предыдущие высокоэнергетические батареи без кобальта. Благодаря равномерному распределению ионов исследователи смогли избежать потери производительности.
<цитата>Наша цель — заменить кобальт только распространенными и доступными металлами, сохранив при этом производительность и безопасность, — сказал Ли, — а также внедрить процессы промышленного синтеза, которые можно быстро масштабировать».
Мантирам, Ли и бывший исследователь с докторской степенью Эван Эриксон работали с Управлением коммерциализации технологий UT, чтобы создать стартап под названием TexPower для вывода технологии на рынок. Исследователи получили гранты от Министерства энергетики США, которое стремилось снизить зависимость от импорта основных материалов для аккумуляторов.
Промышленность ухватилась за отказ от кобальта — в первую очередь усилия Tesla по исключению материала из аккумуляторов, питающих его электромобили. Поскольку крупные государственные организации и частные компании сосредоточены на снижении зависимости от кобальта, неудивительно, что это стремление стало конкурентоспособным. Исследователи заявили, что им удалось избежать проблем, которые препятствовали другим попыткам создания высокоэнергетических батарей без кобальта, благодаря инновациям в правильном сочетании материалов и точном контроле их распределения.
<цитата>Мы увеличиваем плотность энергии и снижаем стоимость, не жертвуя сроком службы», — сказал Мантирам. «Это означает увеличение расстояния для электромобилей и увеличение времени автономной работы ноутбуков и мобильных телефонов».
Изображение предоставлено UT News, Техасский университет в Остине. Эти образцы порошка будут изготовлены, чтобы стать катодом без кобальта.Батареи разряжаются
Новый аккумуляторный электролит, разработанный в Стэнфорде, может повысить производительность электромобил…
Новый подход повышает эффективность литий-ионных аккумуляторов и тушит пожары
Xpeng P7 с безкобальтовой батареей LFP вот-вот появится
Сравнение двух технологий без кобальтовых аккумуляторов
Подробнее об аккумуляторе Renault ZOE нового поколения