Een onderzoeksgroep, die goedkope elementen gebruikt, heeft de haalbaarheid aangetoond van het synthetiseren van elektrodematerialen voor lithium-ionbatterijen (LIB's). Indien verder onderzocht, zou deze methode de industriële afhankelijkheid van zeldzame metalen zoals kobalt en nikkel kunnen verminderen.

Details van hun resultaten zijn gepubliceerd in ACS Applied Energy Materials op 11 april 2022.

Zeldzame metalen worden veel gebruikt omdat ze een geschikte kristalstructuur vormen voor de belangrijkste component-kathodematerialen van LIB's. In deze materialen wordt lithium gemakkelijk en omkeerbaar geëxtraheerd/ingebracht.

Wetenschappers hebben lang gezocht naar manieren om andere goedkope elementen in de kristalstructuur op te nemen. Maar net zoals slechts een bepaalde hoeveelheid zout in water oplost, is de oplosbaarheid van andere elementen beperkt.

De onderzoeksgroep, geleid door professor Tetsu Ichitsubo van Tohoku University's Institute for Materials Research (IMR), hanteerde een andere strategie. Door gebruik te maken van de energiewinst van "configuratie-entropie" - de staat van willekeur van een materiaal - breidden ze de oplosbaarheid van de samenstellende elementen uit en synthetiseerden ze nieuwe compositie-elektrodematerialen:LiCr_1/4 Mn_1/4 Co_1/4 Ni_1/4 O₂ en LiCr_1/5 Mn_1/5 Fe_1/5 Co_1/5 Ni_1/5 O₂ . Dit verminderde het gebruik van kobalt en nikkel aanzienlijk.

"Onze aanpak ontsluit het potentieel van andere ongebruikte elementen en stelt ons in staat om meerdere elektrode-eigenschappen tegelijkertijd te optimaliseren dankzij flexibele materiaalontwerpen", zegt Ichitsubo.

De materialen die door de nieuwe methode worden gesynthetiseerd, kunnen ook de veiligheid van LIB's verbeteren. Tomoya Kawaguchi, assistent-professor bij IMR en corresponderend auteur van het artikel stelt:"Toenemende configuratie-entropie verhoogt theoretisch ook de stabilisatie van het elektrodemateriaal, wat bijdraagt ​​aan de veiligheid van de hele batterij."

Ichitsubo en zijn groep verduidelijkten ook de degradatiemechanismen die de batterijcyclus beïnvloeden met deze nieuwe materialen. Dit zal als richtlijn dienen voor het ontwikkelen van nieuwe hoogwaardige materialen met behulp van de hoge-entropiestrategie.

Hoewel de recycleerbaarheid en capaciteit momenteel niet overeenkomen met conventionele LIB's, opent de mogelijkheid om nieuwe elektrodematerialen te synthetiseren verdere mogelijkheden voor onderzoek naar LIB's. + Verder verkennen

Modificatie en degradatie van op Ni-rijke kathode gebaseerde Li-ion batterijen