Ny teknologi kan vænne batteriverdenen fra kobolt

Litiumbaserede batterier bruger mere end 50 procent af al kobolt produceret i verden. Disse batterier er i din mobiltelefon, bærbar computer og måske endda din bil. Omkring 50 procent af verdens kobolt kommer fra Congo, hvor det stort set udvindes i hånden, i nogle tilfælde af børn. Men nu, et forskerhold ledet af forskere ved University of California, Berkeley, har åbnet døren for at bruge andre metaller i lithium-baserede batterier, og har bygget katoder med 50 procent mere lithium-lagringskapacitet end konventionelle materialer.

"Vi har åbnet et nyt kemisk område for batteriteknologi, " sagde seniorforfatter Gerbrand Ceder, professor ved Institut for Materialevidenskab og Teknik i Berkeley. "For første gang har vi et rigtig billigt element, der kan lave en masse elektronudveksling i batterier."

Undersøgelsen vil blive offentliggjort i den 12. april-udgave af tidsskriftet Natur . Arbejdet var et samarbejde mellem forskere ved UC Berkeley, Berkeley Lab, Argonne National Lab, MIT og UC Santa Cruz.

I nutidens lithium-baserede batterier, lithiumioner lagres i katoder (den negativt ladede elektrode), som er lagdelte strukturer. Kobolt er afgørende for at opretholde denne lagdelte struktur. Når et batteri oplades, litiumioner trækkes fra katoden ind i den anden side af battericellen, anoden. Fraværet af lithium i katoden efterlader meget plads. De fleste metalioner ville flokkes ind i dette rum, hvilket ville få katoden til at miste sin struktur. Men kobolt er et af de få elementer, der ikke vil flytte rundt, gør det kritisk for batteriindustrien.

I 2014, Ceder's lab opdagede en måde, hvorpå katoder kan opretholde en høj energitæthed uden disse lag, et begreb kaldet uordnede rocksalte. Den nye undersøgelse viser, hvordan mangan kan fungere inden for dette koncept, hvilket er et lovende skridt væk fra koboltafhængighed, fordi mangan findes i snavs, gør det til et billigt element.

"For at håndtere ressourcespørgsmålet om kobolt, du skal væk fra denne lagdeling i katoder, "Ceder sagde." Forstyrrende katoder har givet os mulighed for at lege med meget mere af det periodiske system. "

I den nye undersøgelse, Ceders laboratorium viser, hvordan nye teknologier kan bruges til at få meget kapacitet ud af en katode. Ved at bruge en proces kaldet fluordoping, forskerne inkorporerede en stor mængde mangan i katoden. Ved at have flere manganioner med den korrekte ladning kan katoderne holde flere lithiumioner, dermed øger batteriets kapacitet.

Andre forskergrupper har forsøgt at fluor -dope katoder, men det er ikke lykkedes. Ceder siger, at hans laboratoriums arbejde med uordnede strukturer var en stor nøgle til deres succes.

Katodeydelse måles i energi pr. vægtenhed, kaldet watt-timer pr. kg. De uordnede mangankatoder nærmede sig 1, 000 watt-timer per kilogram. Typiske lithium-ion-katoder ligger i området 500-700 watt-timer pr. Kilogram.

"I batteriernes verden, dette er en enorm forbedring i forhold til konventionelle katoder, "sagde hovedforfatter Jinhyuk Lee, som var postdoktor ved Ceder's laboratorium under undersøgelsen, og er nu postdoc ved MIT.

Teknologien skal skaleres op og testes mere for at se, om den kan bruges i applikationer som bærbare computere eller elektriske køretøjer. Men Ceder siger, om denne teknologi rent faktisk gør det inde i et batteri, er ved siden af; forskerne har åbnet nye muligheder for design af katoder, hvilket er endnu vigtigere.

"Du kan stort set bruge ethvert grundstof i det periodiske system nu, fordi vi har vist, at katoder ikke behøver at være lagdelte, "Sagde Ceder." Pludselig har vi meget mere kemisk frihed, og jeg tror, ​​det er der, den virkelige spænding er, for nu kan vi udforske nye katoder."