Oorspronkelijk gepubliceerd op The Cockrell School of Engineering aan de Universiteit van Texas in Austin
AUSTIN, Texas - Decennia lang hebben onderzoekers gezocht naar manieren om kobalt te elimineren uit de energierijke batterijen die elektronische apparaten van stroom voorzien, vanwege de hoge kosten en de mensenrechtengevolgen van de mijnbouw. Maar eerdere pogingen voldeden niet aan de prestatienormen van batterijen met kobalt.
Afbeelding met dank aan UT News, de Universiteit van Texas in Austin. Deze poedermonsters zullen worden vervaardigd om de kobaltvrije kathode te worden.
Onderzoekers van de Cockrell School of Engineering aan de Universiteit van Texas in Austin zeggen dat ze de code hebben gekraakt voor een kobaltvrije high-energy lithium-ionbatterij, waardoor het kobalt is geëlimineerd en de deur is geopend om de kosten van het produceren van batterijen te verlagen en tegelijkertijd een boost te geven. prestaties op een bepaalde manier. Het team rapporteerde een nieuwe klasse kathoden - de elektrode in een batterij waar normaal al het kobalt zich bevindt - verankerd door een hoog nikkelgehalte. De kathode in hun onderzoek is 89% nikkel. Mangaan en aluminium vormen de andere belangrijke elementen.
Meer nikkel in een batterij betekent dat deze meer energie kan opslaan. Die verhoogde energiedichtheid kan bij elke lading leiden tot een langere levensduur van de batterij voor een telefoon of een groter bereik voor een elektrisch voertuig.
De bevindingen verschenen deze maand in het tijdschrift Advanced Materials. Het artikel is geschreven door Arumugam Manthiram, een professor in de Walker Department of Mechanical Engineering en directeur van het Texas Materials Institute, Ph.D. student Steven Lee en Ph.D. afgestudeerd Wangda Li.
Samenvatting van geavanceerde materialen :
Hoog-nikkel LiNi1−x−y Mnx Coj O2 (NMC) en LiNi1−x−y Cox Aly O2 (NCA) zijn de kathodematerialen bij uitstek voor de volgende generatie hoogenergetische lithium-ionbatterijen. Zowel NMC als NCA bevatten kobalt, een duur en schaars metaal waarvan algemeen wordt aangenomen dat het essentieel is voor hun elektrochemische prestatie. Hierin is een hoge‐Ni LiNi1−x−y Mnx Aly O2 (NMA) kathode met gewenste elektrochemische eigenschappen is aangetoond in vergelijking met NMC, NCA en Al-Mg-gecodeerde NMC (NMCAM) met identiek Ni-gehalte (89 mol%) dat intern is gesynthetiseerd.
Ondanks een iets lagere specifieke capaciteit, werkt high-Ni NMA bij een hogere spanning van ≈40 mV en vertoont het geen compromis in snelheidscapaciteit ten opzichte van NMC en NCA. In pouch-cellen in combinatie met grafiet presteert NMA met een hoog Ni-gehalte beter dan zowel NMC als NCA en loopt het slechts licht achter op NMCAM en een commerciële kathode na 1000 diepe cycli. Verder wordt de superieure thermische stabiliteit van NMA ten opzichte van NMC, NCA en NMCAM aangetoond met behulp van differentiële scanningcalorimetrie. Gezien de flexibiliteit in het afstemmen van de compositie en de onmiddellijke schaalbaarheid van de synthese van NMA met hoog Ni-NMA, dat sterk lijkt op NCA en NMC, opent deze studie een nieuwe ruimte voor de ontwikkeling van kathodemateriaal voor de volgende generatie hoogenergetische, kobaltvrije Li-ionbatterijen.
Doorgaans leidt een verhoogde energiedichtheid tot compromissen, zoals een kortere levensduur:het aantal keren dat een batterij kan worden opgeladen en ontladen voordat deze zijn efficiëntie verliest en niet langer volledig kan worden opgeladen. Het elimineren van kobalt vertraagt meestal de kinetische respons van een batterij en leidt tot een lager vermogen - hoe snel de kathode kan worden opgeladen of ontladen. De onderzoekers zeiden echter dat ze de problemen met de korte levensduur en de slechte snelheid hebben overwonnen door een optimale combinatie van metalen te vinden en te zorgen voor een gelijkmatige verdeling van hun ionen.
De meeste kathoden voor lithium-ionbatterijen gebruiken combinaties van metaalionen, zoals nikkel-mangaan-kobalt (NMC) of nikkel-kobalt-aluminium (NCA). Kathodes kunnen ongeveer de helft van de materiaalkosten voor de hele batterij uitmaken, waarbij kobalt het duurste element is. Tegen een prijs van ongeveer $ 28.500 per ton is het duurder dan nikkel, mangaan en aluminium samen, en het maakt 10% tot 30% uit van de meeste lithium-ionbatterijkathoden.
Kobalt is de minst voorkomende en duurste component in batterijkathodes, "zei Manthiram. "En we elimineren het volledig."
De sleutel tot de doorbraak van de onderzoekers ligt op atomair niveau. Tijdens de synthese konden ze ervoor zorgen dat de ionen van de verschillende metalen gelijkmatig over de kristalstructuur in de kathode werden verdeeld. Wanneer deze ionen zich ophopen, nemen de prestaties af, en dat probleem heeft eerdere kobaltvrije, energierijke batterijen geplaagd, zei Manthiram. Door de ionen gelijkmatig te verdelen, konden de onderzoekers prestatieverlies voorkomen.
Ons doel is om alleen overvloedige en betaalbare metalen te gebruiken om kobalt te vervangen met behoud van de prestaties en veiligheid, "zei Li, "en om industriële syntheseprocessen te benutten die onmiddellijk schaalbaar zijn."
Manthiram, Li en voormalig postdoctoraal onderzoeker Evan Erickson werkten samen met UT's Office of Technology Commercialization om een startup genaamd TexPower te vormen om de technologie op de markt te brengen. De onderzoekers hebben subsidies ontvangen van het Amerikaanse ministerie van Energie, dat heeft geprobeerd de afhankelijkheid van import voor belangrijke batterijmaterialen te verminderen.
De industrie is op de kobaltvrije duw gesprongen - met name een poging van Tesla om het materiaal te verwijderen uit de batterijen die zijn elektrische voertuigen aandrijven. Met grote overheidsorganisaties en particuliere bedrijven die zich richten op het verminderen van de afhankelijkheid van kobalt, is het geen verrassing dat dit streven competitief is geworden. De onderzoekers zeiden dat ze problemen hebben vermeden die andere pogingen tot kobaltvrije, energierijke batterijen in de weg stonden met innovaties op het gebied van de juiste combinatie van materialen en de nauwkeurige controle van hun distributie.
We verhogen de energiedichtheid en verlagen de kosten zonder de levensduur op te offeren”, aldus Manthiram. "Dit betekent langere rijafstanden voor elektrische voertuigen en een langere levensduur van de batterij voor laptops en mobiele telefoons."
Afbeelding met dank aan UT News, de Universiteit van Texas in Austin. Deze poedermonsters zullen worden vervaardigd om de kobaltvrije kathode te worden.Batterijen breken door
