Исследователи из инженерной школы Кокрелла Техасского университета в Остине говорят, что они взломали код безкобальтовой высокоэнергетической литий-ионной батареи, исключив кобальт и открыв дверь к снижению затрат на производство батарей при одновременном повышении мощности. производительность в некотором роде. Команда сообщила о новом классе катодов – электродах в батарее, где обычно находится весь кобальт – закрепленных 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. Эта повышенная плотность энергии может привести к увеличению срока службы батареи для телефона или увеличения дальности действия для электромобиля с каждой зарядкой.
Результаты были опубликованы в этом месяце в журнале Advanced Materials. Статья написана Арумугамом Мантирамом, профессором факультета машиностроения Уолкера и директором Техасского института материалов, доктором наук.D. студент Стивен Ли и доктор философии.D. выпускник Ванда Ли.
Как правило, повышенная плотность энергии приводит к компромиссам, таким как более короткий срок службы – количество раз, когда аккумулятор может быть заряжен и разряжен, прежде чем он потеряет эффективность и не сможет больше заряжаться полностью. Устранение кобальта обычно замедляет кинетический отклик батареи и приводит к более низкой производительности – насколько быстро катод может быть заряжен или разряжен. Тем не менее, исследователи заявили, что они преодолели проблемы с коротким сроком службы и низкой производительностью за счет поиска оптимальной комбинации металлов и обеспечения равномерного распределения их ионов.
В большинстве катодов для литий-ионных батарей используются комбинации ионов металлов, такие как никель-марганец-кобальт (NMC) или никель-кобальт-алюминий (NCA). Катоды могут покрывать примерно половину стоимости материалов для всей батареи, при этом кобальт является самым дорогим элементом. При цене примерно 28 500 долларов за тонну он дороже, чем никель, марганец и алюминий вместе взятые, и составляет от 10% до 30% катодов большинства литий-ионных аккумуляторов.
«Кобальт – наименее распространенный и самый дорогой компонент в катодах аккумуляторных батарей», – сказал Мантирам. "И мы полностью устраняем это."
Ключ к прорыву исследователей можно найти на атомном уровне. Во время синтеза они могли гарантировать, что ионы различных металлов оставались равномерно распределенными по кристаллической структуре в катоде. Когда эти ионы собираются в группы, производительность ухудшается, и эта проблема преследовала предыдущие безкобальтовые высокоэнергетические батареи, сказал Мантирам. Сохраняя равномерное распределение ионов, исследователи смогли избежать потери производительности.
«Наша цель – использовать только доступные по цене металлы для замены кобальта при сохранении производительности и безопасности, – сказал Ли, – а также использовать процессы промышленного синтеза, которые можно сразу масштабировать."
Мантирам, Ли и бывший постдокторант Эван Эриксон работали с Офисом коммерциализации технологий UT, чтобы сформировать стартап под названием TexPower, чтобы вывести технологию на рынок. Исследователи получили гранты U.S. Министерство энергетики, которое стремилось снизить зависимость от импорта основных материалов для аккумуляторов.
Промышленность ухватилась за отказ от использования кобальта – в первую очередь усилия Tesla по устранению материала из батарей, которые питают ее электромобили. Поскольку крупные государственные организации и частные компании сосредоточены на снижении зависимости от кобальта, неудивительно, что это стремление стало конкурентоспособным.
Исследователи заявили, что они избежали проблем, которые препятствовали другим попыткам создания безкобальтовых высокоэнергетических батарей, благодаря инновациям, касающимся правильного сочетания материалов и точного контроля их распределения.
«Мы увеличиваем плотность энергии и снижаем стоимость без ущерба для срока службы», – сказал Мантирам. "Это означает увеличение расстояния вождения электромобилей и увеличение времени автономной работы ноутбуков и мобильных телефонов."