Ursprungligen publicerad på The Cockrell School of Engineering vid University of Texas i Austin
AUSTIN, Texas — I decennier har forskare letat efter sätt att eliminera kobolt från de högenergibatterier som driver elektroniska enheter, på grund av dess höga kostnader och de mänskliga rättigheternas konsekvenser av gruvdriften. Men tidigare försök har inte levt upp till prestandastandarderna för batterier med kobolt.
Bild med tillstånd från UT News, University of Texas i Austin. Dessa pulverprover kommer att tillverkas för att bli den koboltfria katoden.
Forskare från Cockrell School of Engineering vid University of Texas i Austin säger att de har knäckt koden till ett koboltfritt högenergilitiumjonbatteri, vilket eliminerar kobolten och öppnar dörren för att minska kostnaderna för att tillverka batterier samtidigt som de ökar prestanda på något sätt. Teamet rapporterade en ny klass av katoder - elektroden i ett batteri där all kobolt vanligtvis finns - förankrad av hög nickelhalt. Katoden i deras studie är 89% nickel. Mangan och aluminium utgör de andra nyckelelementen.
Mer nickel i ett batteri gör att det kan lagra mer energi. Den ökade energitätheten kan leda till längre batteritid för en telefon eller större räckvidd för ett elfordon vid varje laddning.
Resultaten publicerades den här månaden i tidskriften Advanced Materials. Uppsatsen skrevs av Arumugam Manthiram, professor vid Walker Department of Mechanical Engineering och chef för Texas Materials Institute, Ph.D. student Steven Lee och Ph.D. examen Wangda Li.
Sammanfattning från avancerade material :
Högnickel LiNi1−x−y Mnx Coy O2 (NMC) och LiNi1−x−y Cox Aly O2 (NCA) är valet av katodmaterial för nästa generations högenergilitiumjonbatterier. Både NMC och NCA innehåller kobolt, en dyr och knapp metall som allmänt anses vara väsentlig för deras elektrokemiska prestanda. Häri en hög-Ni LiNi1−x−y Mnx Aly O2 (NMA) katod med önskvärda elektrokemiska egenskaper demonstreras benchmarkad mot NMC, NCA och Al-Mg-kodopad NMC (NMCAM) med identisk Ni-halt (89 mol%) syntetiserad internt.
Trots en något lägre specifik kapacitet arbetar hög-Ni NMA vid en högre spänning med ≈40 mV och visar ingen kompromiss i hastighetskapacitet i förhållande till NMC och NCA. I påsceller parade med grafit överträffar hög-Ni NMA både NMC och NCA och följer endast något efter NMCAM och en kommersiell katod efter 1000 djupa cykler. Vidare visas den överlägsna termiska stabiliteten för NMA mot NMC, NCA och NMCAM med användning av differentiell skanningskalorimetri. Med tanke på flexibiliteten i kompositionsavstämning och omedelbar syntesskalbarhet av hög-Ni NMA, mycket lik NCA och NMC, öppnar denna studie ett nytt utrymme för utveckling av katodmaterial för nästa generations högenergi-, koboltfria Li-ion-batterier.
Vanligtvis leder ökad energitäthet till kompromisser, såsom en kortare cykellivslängd - antalet gånger ett batteri kan laddas och laddas ur innan det tappar effektivitet och inte längre kan laddas helt. Att eliminera kobolt saktar vanligtvis ned den kinetiska responsen hos ett batteri och leder till lägre hastighetskapacitet - hur snabbt katoden kan laddas eller laddas ur. Men forskarna sa att de har övervunnit problemen med kort livslängd och dålig hastighet genom att hitta en optimal kombination av metaller och säkerställa en jämn fördelning av deras joner.
De flesta katoder för litiumjonbatterier använder kombinationer av metalljoner, såsom nickel-mangan-kobolt (NMC) eller nickel-kobolt-aluminium (NCA). Katoder kan stå för ungefär hälften av materialkostnaderna för hela batteriet, med kobolt som det dyraste elementet. Till ett pris av cirka 28 500 USD per ton är det dyrare än nickel, mangan och aluminium tillsammans, och det utgör 10 % till 30 % av de flesta litiumjonbatterikatoder.
Kobolt är den minst rikliga och dyraste komponenten i batterikatoder, säger Manthiram. "Och vi eliminerar det helt."
Nyckeln till forskarnas genombrott kan hittas på atomnivå. Under syntesen kunde de säkerställa att jonerna i de olika metallerna förblev jämnt fördelade över kristallstrukturen i katoden. När dessa joner samlas, försämras prestanda, och det problemet har plågat tidigare koboltfria, högenergibatterier, sa Manthiram. Genom att hålla jonerna jämnt fördelade kunde forskarna undvika prestationsförlust.
Vårt mål är att endast använda rikliga och prisvärda metaller för att ersätta kobolt med bibehållen prestanda och säkerhet," sa Li, "och att utnyttja industriella syntesprocesser som är omedelbart skalbara."
Manthiram, Li och före detta postdoktorn Evan Erickson arbetade med UT:s Office of Technology Commercialization för att bilda en startup som heter TexPower för att få ut tekniken på marknaden. Forskarna har fått anslag från det amerikanska energidepartementet, som har försökt minska importberoendet för nyckelbatterimaterial.
Industrin har hoppat på det koboltfria trycket - framför allt en insats från Tesla för att eliminera materialet från batterierna som driver dess elfordon. Med stora statliga organisationer och privata företag fokuserade på att minska beroendet av kobolt är det ingen överraskning att denna strävan har blivit konkurrenskraftig. Forskarna sa att de har undvikit problem som hindrat andra försök med koboltfria, högenergibatterier med innovationer om rätt kombination av material och exakt kontroll av deras distribution.
Bild med tillstånd från UT News, University of Texas i Austin. Dessa pulverprover kommer att tillverkas för att bli den koboltfria katoden.Vi ökar energitätheten och sänker kostnaden utan att offra livscykeln, säger Manthiram. "Detta innebär längre körsträckor för elfordon och bättre batteritid för bärbara datorer och mobiltelefoner."
Batterier slår igenom
