Sådan gør du lithium-ion-batterier uovervindelige

I vores fremtidige elektrificerede verden forventes efterspørgslen efter batteriopbevaring at være enorm og nå op på op mod 2 til 10 terawatt-timer (TWh) årlig batteriproduktion i 2030, fra mindre end 0,5 TWh i dag. Imidlertid vokser bekymringerne for, om nøgleråmaterialer vil være tilstrækkelige til at imødekomme denne fremtidige efterspørgsel. Lithium-ion-batteriet - den dominerende teknologi i en overskuelig fremtid - har en komponent lavet af kobolt og nikkel, og disse to metaller står over for alvorlige forsyningsbegrænsninger på det globale marked.

Nu, efter flere års forskning ledet af Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), har forskere gjort betydelige fremskridt med at udvikle batterikatoder ved hjælp af en ny klasse af materialer, der giver batterier den samme, hvis ikke højere energitæthed end konventionelle lithium-ion-batterier men kan være lavet af billige og rigelige metaller. Kendt som DRX, som står for uordnede stensalte med overskydende lithium, blev denne nye familie af materialer opfundet for mindre end 10 år siden og gør det muligt at fremstille katoder uden nikkel eller kobolt.

"Det klassiske lithium-ion batteri har tjent os godt, men når vi overvejer fremtidige krav til energilagring, udsætter dets afhængighed af visse kritiske mineraler os ikke kun for forsyningskæderisici, men også miljømæssige og sociale problemer," sagde Ravi Prasher, Berkeley Labs Associate Lab Director for Energy Technologies. "Med DRX-materialer giver dette lithium-batterier potentialet til at være grundlaget for bæredygtige batteriteknologier for fremtiden."

Katoden er en af ​​de to elektroder i et batteri og står for mere end en tredjedel af omkostningerne ved et batteri. I øjeblikket bruger katoden i lithium-ion-batterier en klasse af materialer kendt som NMC, med nikkel, mangan og kobolt som nøgleingredienserne.

"Jeg har forsket i katode i over 20 år, på udkig efter nye materialer, og DRX er det bedste nye materiale, jeg nogensinde har set," siger batteriforsker Gerbrand Ceder i Berkeley Lab, som er med til at lede forskningen. "Med den nuværende NMC-klasse, som er begrænset til kun nikkel, kobolt og en inaktiv komponent lavet af mangan, er det klassiske lithium-ion-batteri i slutningen af ​​sin ydeevnekurve, medmindre du overfører til nye katodematerialer, og det er det, DRX-program tilbyder. DRX-materialer har en enorm sammensætningsfleksibilitet - og dette er meget kraftfuldt, fordi du ikke kun kan bruge alle slags rigelige metaller i en DRX-katode, men du kan også bruge enhver type metal til at løse ethvert problem, der måtte opstå under de tidlige stadier af design af nye batterier. Det er derfor, vi er så begejstrede."

Kobolt- og nikkelforsyningskæderisici

Det amerikanske energiministerium (DOE) har gjort det til en prioritet at finde måder at reducere eller eliminere brugen af ​​kobolt i batterier. "Batteriindustrien står over for en enorm ressourceknage," sagde Ceder. "Selv ved 2 TWh, den lavere række af globale efterspørgselsprognoser, ville det forbruge næsten al nutidens nikkelproduktion, og med kobolt er vi ikke engang tæt på. Koboltproduktionen i dag er kun omkring 150 kiloton, og 2 TWh batterikraft ville kræver 2.000 kiloton nikkel og kobolt i en eller anden kombination."

Desuden bruges over to tredjedele af verdens nikkelproduktion i øjeblikket til at fremstille rustfrit stål. Og mere end halvdelen af ​​verdens produktion af kobolt kommer fra Den Demokratiske Republik Congo, hvor Rusland, Australien, Filippinerne og Cuba runder de fem største producenter af kobolt.

I modsætning hertil kan DRX-katoder bruge stort set ethvert metal i stedet for nikkel og kobolt. Forskere ved Berkeley Lab har fokuseret på at bruge mangan og titanium, som både er mere rigeligt og billigere end nikkel og kobolt.

"Manganoxid og titaniumoxid koster mindre end $1 pr. kilogram, mens kobolt koster omkring $45 pr. kilogram og nikkel omkring $18," sagde Ceder. "Med DRX har du potentialet til at lave meget billig energilagring. På det tidspunkt bliver lithium-ion uovertruffen og kan bruges overalt - til køretøjer, nettet - og vi kan virkelig gøre energilagring rigelig og billig."

Ordent vs. uordnet

Ceder og hans team udviklede DRX-materialer i 2014. I batterier omsættes antallet og hastigheden af ​​lithium-ioner, der er i stand til at rejse ind i katoden, til, hvor meget energi og strøm batteriet har. I konventionelle katoder rejser lithiumioner gennem katodematerialet ad veldefinerede veje og arrangerer sig selv mellem overgangsmetalatomerne (normalt kobolt og nikkel) i pæne, velordnede lag.

Hvad Ceders gruppe opdagede var, at en katode med en uordnet atomstruktur kunne indeholde mere lithium - hvilket betyder mere energi - samtidig med at det tillader en bredere vifte af elementer at tjene som overgangsmetal. De lærte også, at i det kaos kan lithiumioner nemt hoppe rundt.

I 2018 gav Vehicle Technologies Office i DOE's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy finansiering til Berkeley Lab til at tage et "dybt dyk" i DRX-materialer. I samarbejde med forskere ved Oak Ridge National Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory og UC Santa Barbara har Berkeley Lab-teams ledet af Ceder og Guoying Chen gjort enorme fremskridt med at optimere DRX-katoder i lithium-ion-batterier.

For eksempel var opladningshastigheden - eller hvor hurtigt batteriet kan oplade - af disse materialer oprindeligt meget lav, og dets stabilitet var også dårlig. Forskerholdet har fundet måder at løse begge disse problemer gennem modellering og eksperimenter. Undersøgelser om brug af fluorering til at forbedre stabiliteten er blevet offentliggjort i Advanced Functional Materials og Avancerede energimaterialer; forskning i, hvordan man muliggør en høj opladningshastighed, blev for nylig offentliggjort i Nature Energy .

Da DRX kan laves med mange forskellige elementer, har forskerne også arbejdet på, hvilket element der ville være bedst at bruge, og ramt det søde punkt at være rigeligt, billigt og give god ydeevne. "DRX er nu blevet syntetiseret med næsten hele det periodiske system," sagde Ceder.

"Dette er videnskab, når det er bedst - grundlæggende opdagelser, der vil tjene som grundlaget for systemer i fremtidige hjem, køretøjer og net," sagde Noel Bakhtian, direktør for Berkeley Labs Energy Storage Center. "Det, der har gjort Berkeley Lab så succesfuld inden for batteriinnovation i årtier nu, er vores kombination af bredde og dybde af ekspertise - fra fundamental opdagelse til karakterisering, syntese og fremstilling, såvel som energimarkeder og politikforskning. Samarbejde er nøglen - vi er partnere med industrien og andre steder for at løse problemer i den virkelige verden, hvilket igen hjælper med at stimulere den verdensførende videnskab, vi laver i laboratoriet."

Hurtig fremgang

Nye batterimaterialer har traditionelt taget 15 til 20 år at kommercialisere; Ceder mener, at fremskridt med DRX-materialer kan fremskyndes med et større team. "Vi har gjort store fremskridt i de sidste tre år med det dybe dyk," sagde Ceder. "Vi er nået til den konklusion, at vi er klar til et større team, så vi kan involvere folk med et mere forskelligartet sæt færdigheder for virkelig at forfine dette."

Et udvidet forskerhold kunne bevæge sig hurtigt for at løse de resterende problemer, herunder forbedring af cykluslevetiden (eller det antal gange, batteriet kan genoplades og aflades i løbet af dets levetid) og optimering af elektrolytten, det kemiske medium, der tillader strømmen af ​​elektrisk ladning mellem katoden og anoden. Siden de blev udviklet i Ceders laboratorium, har grupper i Europa og Japan også lanceret store DRX-forskningsprogrammer.

"Fremskridt inden for batteriteknologier og energilagring vil kræve fortsatte gennembrud i den grundlæggende videnskab om materialer," sagde Jeff Neaton, Berkeley Labs Associate Lab Director for Energy Sciences. "Berkeley Labs ekspertise, unikke faciliteter og muligheder inden for avanceret billeddannelse, beregning og syntese giver os mulighed for at studere materialer på skalaen af ​​atomer og elektroner. Vi er godt rustet til at accelerere udviklingen af ​​lovende materialer som DRX til ren energi."