Forskere udvikler en koboltfri katode til lithium-ion-batterier

Forskere ved University of California, Irvine og fire nationale laboratorier har udtænkt en måde at fremstille lithium-ion batterikatoder på uden at bruge kobolt, et mineral plaget af prisvolatilitet og geopolitiske komplikationer.

I et papir offentliggjort i dag i Nature , beskriver forskerne, hvordan de overvandt termiske og kemisk-mekaniske ustabiliteter af katoder, der i det væsentlige er sammensat af nikkel - en almindelig erstatning for kobolt - ved at blande flere andre metalliske elementer i.

"Gennem en teknik, vi omtaler som 'højentropi-doping', var vi i stand til med succes at fremstille en koboltfri lagdelt katode med ekstrem høj varmetolerance og stabilitet over gentagne opladnings- og afladningscyklusser," sagde den tilsvarende forfatter Huolin Xin, UCI-professor af fysik og astronomi. "Denne præstation løser mangeårige sikkerheds- og stabilitetsproblemer omkring høj-nikkel batterimaterialer, hvilket baner vejen for bredbaserede kommercielle applikationer."

Kobolt er en af ​​de væsentligste risici i forsyningskæden, der truer udbredt brug af elbiler, lastbiler og andre elektroniske enheder, der kræver batterier, ifølge avisens forfattere. Mineralet, som er kemisk egnet til stabilisering af lithium-ion batteri katoder, udvindes næsten udelukkende i Den Demokratiske Republik Congo under misbrug og umenneskelige forhold.

"Elektriske køretøjsproducenter er ivrige efter at begrænse brugen af ​​kobolt i deres batteripakker, ikke kun for at reducere omkostningerne, men for at imødegå den praksis for børnearbejde, der bruges til at udvinde mineralet," sagde Xin. "Forskning har også vist, at kobolt kan føre til iltfrigivelse ved højspænding, hvilket forårsager skade på lithium-ion-batterier. Alt dette peger på et behov for alternativer."

Nikkelbaserede katoder kommer dog med deres egne problemer, såsom dårlig varmetolerance, hvilket kan føre til oxidation af batterimaterialer, termisk løb og endda eksplosion. Selvom høj-nikkel katoder kan rumme større kapaciteter, kan volumen belastning fra gentagen ekspansion og sammentrækning resultere i dårlig stabilitet og sikkerhedsproblemer.

Forskerne søgte at løse disse problemer gennem sammensætningsmæssigt kompleks højentropidoping ved hjælp af HE-LMNO, en sammenlægning af overgangsmetaller magnesium, titanium, mangan, molybdæn og niobium i strukturens indre, med en undergruppe af disse mineraler brugt på dens overflade og grænseflade. med andre batterimaterialer.

Xin og hans kolleger brugte en række synkrotron røntgendiffraktion, transmissionselektronmikroskopi og 3D nanotomografi instrumenter til at bestemme, at deres nul-kobolt katode udviste en hidtil uset volumetrisk ændring på nul under gentagen brug. Den meget stabile struktur er i stand til at modstå mere end 1.000 cyklusser og høje temperaturer, hvilket gør den sammenlignelig med katoder med meget lavere nikkelindhold.

For nogle af disse forskningsværktøjer samarbejdede Xin med forskere ved National Synchrotron Light Source II, som ligger ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory i New York. Som en DOE Office of Science-brugerfacilitet tilbød NSLS-II holdet adgang til tre af dets 28 videnskabelige instrumenter - kaldet beamlines - for at studere den nye katodes interne struktur.

"Kombinationen af ​​de forskellige metoder ved NSLS II beamlines muliggjorde opdagelsen af ​​en indfangende effekt af ilttomrum og defekter inde i materialet, hvilket effektivt forhindrer revnedannelse i den sekundære HE-LMNO partikel, hvilket gør denne struktur ekstremt stabil under cykling." sagde medforfatter Mingyuan Ge, en videnskabsmand ved NSLS-II.

Tilføjede Xin:"Ved at bruge disse avancerede værktøjer var vi i stand til at observere katodens dramatisk øgede termiske stabilitet og nul-volumetriske ændringsegenskaber, og vi har været i stand til at demonstrere ekstraordinært forbedret kapacitetsopbevaring og cykluslevetid. Denne forskning kunne sætte scenen for udviklingen af ​​et energitæt alternativ til eksisterende batterier."

Han sagde, at arbejdet repræsenterer et skridt i retning af at nå det dobbelte mål om at anspore til udbredelsen af ​​ren transport og energilagring, mens der tages fat på miljøretfærdighedsspørgsmål omkring udvinding af mineraler, der bruges i batterier. + Udforsk yderligere

Nyt katodedesign løser stor barriere for bedre lithium-ion-batterier