Koboltfri batterier kan drive fremtidens biler

Mange elektriske køretøjer er drevet af batterier, der indeholder kobolt - et metal, der bærer høje økonomiske, miljømæssige og sociale omkostninger.

MIT-forskere har nu designet et batterimateriale, der kunne tilbyde en mere bæredygtig måde at drive elbiler på. Det nye lithium-ion-batteri inkluderer en katode baseret på organiske materialer i stedet for kobolt eller nikkel (et andet metal, der ofte bruges i lithium-ion-batterier).

I en ny undersøgelse viste forskerne, at dette materiale, som kunne fremstilles til meget lavere omkostninger end koboltholdige batterier, kan lede elektricitet med samme hastighed som koboltbatterier. Det nye batteri har også sammenlignelig lagerkapacitet og kan oplades hurtigere end koboltbatterier, rapporterer forskerne.

"Jeg tror, ​​at dette materiale kan have en stor indflydelse, fordi det fungerer rigtig godt," siger Mircea Dincă, W.M. Keck professor i energi ved MIT. "Det er allerede konkurrencedygtigt med eksisterende teknologier, og det kan spare mange omkostninger og smerte og miljøproblemer i forbindelse med minedrift af de metaller, der i øjeblikket går i batterier."

Dincă er seniorforfatter til undersøgelsen, som er offentliggjort i dag (18. januar) i tidsskriftet ACS Central Science . Tianyang Chen Ph.D. '23 og Harish Banda, en tidligere MIT postdoc, er hovedforfatterne af papiret. Andre forfattere omfatter Jiande Wang, en MIT postdoc; Julius Oppenheim, en MIT kandidatstuderende; og Alessandro Franceschi, en forsker ved universitetet i Bologna.

Alternativer til kobolt

De fleste elbiler er drevet af lithium-ion-batterier, en type batteri, der genoplades, når lithium-ioner strømmer fra en positivt ladet elektrode, kaldet en katode, til en negativ elektrode, kaldet en anode. I de fleste lithium-ion-batterier indeholder katoden kobolt, et metal, der giver høj stabilitet og energitæthed.

Kobolt har dog betydelige ulemper. Et knapt metal, dets pris kan svinge dramatisk, og en stor del af verdens koboltforekomster er placeret i politisk ustabile lande. Koboltudvinding skaber farlige arbejdsforhold og genererer giftigt affald, der forurener jord, luft og vand omkring minerne.

"Koboltbatterier kan lagre en masse energi, og de har alle de funktioner, som folk bekymrer sig om med hensyn til ydeevne, men de har problemet med ikke at være bredt tilgængelige, og prisen svinger bredt med råvarepriserne. Og når du skifter til en meget højere andel af elektrificerede køretøjer på forbrugermarkedet, vil det helt sikkert blive dyrere," siger Dincă.

På grund af de mange ulemper ved kobolt, er der gået megen forskning i at forsøge at udvikle alternative batterimaterialer. Et sådant materiale er lithium-jern-phosphat (LFP), som nogle bilproducenter begynder at bruge i elektriske køretøjer. Selvom LFP stadig er praktisk anvendelig, har den kun omkring halvdelen af ​​energitætheden af ​​kobolt- og nikkelbatterier.

En anden tiltalende mulighed er organiske materialer, men indtil videre har de fleste af disse materialer ikke været i stand til at matche ledningsevnen, lagerkapaciteten og levetiden for koboltholdige batterier. På grund af deres lave ledningsevne skal sådanne materialer typisk blandes med bindemidler såsom polymerer, som hjælper dem med at opretholde et ledende netværk. Disse bindemidler, som udgør mindst 50 procent af det samlede materiale, nedsætter batteriets lagerkapacitet.

For omkring seks år siden begyndte Dincăs laboratorium at arbejde på et projekt, finansieret af Lamborghini, for at udvikle et organisk batteri, der kunne bruges til at drive elbiler. Mens de arbejdede på porøse materialer, der dels var organiske og dels uorganiske, indså Dincă og hans elever, at et fuldt organisk materiale, de havde lavet, så ud til, at det kunne være en stærk leder.

Dette materiale består af mange lag af TAQ (bis-tetraaminobenzoquinon), et organisk lille molekyle, der indeholder tre fusionerede sekskantede ringe. Disse lag kan strække sig udad i alle retninger og danner en struktur, der ligner grafit. Inden i molekylerne er kemiske grupper kaldet quinoner, som er elektronreservoirerne, og aminer, som hjælper materialet med at danne stærke hydrogenbindinger.

Disse hydrogenbindinger gør materialet meget stabilt og også meget uopløseligt. Den uopløselighed er vigtig, fordi den forhindrer materialet i at opløses i batterielektrolytten, som nogle organiske batterimaterialer gør, og derved forlænge dets levetid.

"En af de vigtigste metoder til nedbrydning for organiske materialer er, at de simpelthen opløses i batterielektrolytten og krydser over på den anden side af batteriet, hvilket i det væsentlige skaber en kortslutning. Hvis du gør materialet fuldstændig uopløseligt, gør den proces ikke ske, så vi kan gå til over 2.000 opladningscyklusser med minimal nedbrydning," siger Dincă.

Stærk ydeevne

Test af dette materiale viste, at dets ledningsevne og lagerkapacitet var sammenlignelig med traditionelle koboltholdige batterier. Batterier med en TAQ-katode kan også oplades og aflades hurtigere end eksisterende batterier, hvilket kan fremskynde opladningshastigheden for elektriske køretøjer.

For at stabilisere det organiske materiale og øge dets evne til at klæbe til batteriets strømaftager, som er lavet af kobber eller aluminium, tilføjede forskerne fyldmaterialer som cellulose og gummi. Disse fyldstoffer udgør mindre end en tiendedel af den samlede katodekomposit, så de reducerer ikke batteriets lagerkapacitet væsentligt.

Disse fyldstoffer forlænger også batterikatodens levetid ved at forhindre den i at revne, når lithium-ioner strømmer ind i katoden, mens batteriet oplades.

De primære materialer, der er nødvendige for at fremstille denne type katode, er en quinon-precursor og en amin-precursor, som allerede er kommercielt tilgængelige og produceres i store mængder som råvarekemikalier. Forskerne vurderer, at materialeomkostningerne ved at samle disse organiske batterier kan være omkring en tredjedel til halvdelen af ​​omkostningerne ved koboltbatterier.

Lamborghini har licenseret patentet på teknologien. Dincăs laboratorium planlægger at fortsætte med at udvikle alternative batterimaterialer og undersøger mulig udskiftning af lithium med natrium eller magnesium, som er billigere og mere rigeligt end lithium.

Flere oplysninger: Tianyang Chen et al., En lagdelt organisk katode til højenergi-, hurtigopladning og langtidsholdbare Li-Ion-batterier, ACS Central Science (2024). DOI:10.1021/acscentsci.3c01478

Journaloplysninger: ACS Central Science

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.