Veel elektrische voertuigen worden aangedreven door batterijen die kobalt bevatten, een metaal dat hoge financiële, ecologische en sociale kosten met zich meebrengt.

MIT-onderzoekers hebben nu een batterijmateriaal ontworpen dat een duurzamere manier zou kunnen bieden om elektrische auto’s van stroom te voorzien. De nieuwe lithium-ionbatterij bevat een kathode op basis van organische materialen, in plaats van kobalt of nikkel (een ander metaal dat vaak wordt gebruikt in lithium-ionbatterijen).

In een nieuwe studie toonden de onderzoekers aan dat dit materiaal, dat tegen veel lagere kosten geproduceerd zou kunnen worden dan kobalthoudende batterijen, elektriciteit met vergelijkbare snelheden kan geleiden als kobaltbatterijen. De nieuwe batterij heeft bovendien een vergelijkbare opslagcapaciteit en kan sneller worden opgeladen dan kobaltbatterijen, melden de onderzoekers.

"Ik denk dat dit materiaal een grote impact kan hebben, omdat het heel goed werkt", zegt Mircea Dincă, de W.M. Keck hoogleraar energie aan het MIT. "Het is al concurrerend met bestaande technologieën, en het kan een groot deel van de kosten, pijn en milieuproblemen besparen die verband houden met het delven van de metalen die momenteel in batterijen worden gebruikt."

Dincă is de senior auteur van de studie, die vandaag (18 januari) wordt gepubliceerd in het tijdschrift ACS Central Science . Tianyang Chen Ph.D. '23 en Harish Banda, een voormalig MIT-postdoc, zijn de hoofdauteurs van het artikel. Andere auteurs zijn onder meer Jiande Wang, een MIT-postdoc; Julius Oppenheim, een afgestudeerde MIT-student; en Alessandro Franceschi, een research fellow aan de Universiteit van Bologna.

Alternatieven voor kobalt

De meeste elektrische auto's worden aangedreven door lithium-ionbatterijen, een type batterij dat wordt opgeladen wanneer lithiumionen van een positief geladen elektrode, een kathode genaamd, naar een negatief elektrode, een anode genaamd, stromen. In de meeste lithium-ionbatterijen bevat de kathode kobalt, een metaal dat een hoge stabiliteit en energiedichtheid biedt.

Kobalt heeft echter aanzienlijke nadelen. Het is een schaars metaal waarvan de prijs dramatisch kan fluctueren, en veel van de kobaltvoorraden in de wereld bevinden zich in politiek onstabiele landen. De kobaltwinning creëert gevaarlijke werkomstandigheden en genereert giftig afval dat het land, de lucht en het water rond de mijnen vervuilt.

“Kobaltbatterijen kunnen veel energie opslaan, en ze hebben alle eigenschappen waar mensen om geven als het gaat om prestaties, maar ze hebben het probleem dat ze niet overal verkrijgbaar zijn, en de kosten fluctueren sterk afhankelijk van de grondstoffenprijzen. En naarmate je overstapt Door een veel groter aandeel geëlektrificeerde voertuigen op de consumentenmarkt zal het zeker duurder worden”, zegt Dincă.

Vanwege de vele nadelen van kobalt is er veel onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van alternatieve batterijmaterialen. Een voorbeeld van zo'n materiaal is lithium-ijzerfosfaat (LFP), dat sommige autofabrikanten in elektrische voertuigen beginnen te gebruiken. Hoewel het nog steeds praktisch bruikbaar is, heeft LFP slechts ongeveer de helft van de energiedichtheid van kobalt- en nikkelbatterijen.

Een andere aantrekkelijke optie zijn organische materialen, maar tot nu toe zijn de meeste van deze materialen er niet in geslaagd de geleidbaarheid, opslagcapaciteit en levensduur van kobalthoudende batterijen te evenaren. Vanwege hun lage geleidbaarheid moeten dergelijke materialen doorgaans worden gemengd met bindmiddelen zoals polymeren, waardoor ze een geleidend netwerk kunnen behouden. Deze bindmiddelen, die minstens 50 procent van het totale materiaal uitmaken, verminderen de opslagcapaciteit van de batterij.

Ongeveer zes jaar geleden begon het laboratorium van Dincă te werken aan een project, gefinancierd door Lamborghini, om een ​​organische batterij te ontwikkelen die gebruikt zou kunnen worden om elektrische auto's van stroom te voorzien. Terwijl ze werkten aan poreuze materialen die deels organisch en deels anorganisch waren, realiseerden Dincă en zijn studenten zich dat een volledig organisch materiaal dat ze hadden gemaakt een sterke geleider zou kunnen zijn.

Dit materiaal bestaat uit vele lagen TAQ (bis-tetraaminobenzochinon), een organisch klein molecuul dat drie gefuseerde zeshoekige ringen bevat. Deze lagen kunnen zich in elke richting naar buiten uitstrekken en vormen een structuur die lijkt op grafiet. Binnen de moleculen bevinden zich chemische groepen die chinonen worden genoemd, dit zijn de elektronenreservoirs, en aminen, die het materiaal helpen sterke waterstofbruggen te vormen.

Die waterstofbruggen maken het materiaal zeer stabiel en bovendien zeer onoplosbaar. Die onoplosbaarheid is belangrijk omdat het voorkomt dat het materiaal oplost in de elektrolyt van de batterij, zoals sommige organische batterijmaterialen doen, waardoor de levensduur ervan wordt verlengd.

"Een van de belangrijkste afbraakmethoden voor organische materialen is dat ze eenvoudigweg oplossen in de elektrolyt van de batterij en overgaan naar de andere kant van de batterij, waardoor er in feite kortsluiting ontstaat. Als je het materiaal volledig onoplosbaar maakt, gebeurt dat niet. gebeuren, zodat we meer dan 2.000 oplaadcycli kunnen bereiken met minimale degradatie", zegt Dincă.

Sterke prestaties

Uit tests met dit materiaal bleek dat de geleidbaarheid en opslagcapaciteit vergelijkbaar waren met die van traditionele kobalthoudende batterijen. Bovendien kunnen batterijen met een TAQ-kathode sneller worden opgeladen en ontladen dan bestaande batterijen, wat de laadsnelheid voor elektrische voertuigen zou kunnen versnellen.

Om het organische materiaal te stabiliseren en het vermogen om zich aan de stroomcollector van de batterij te hechten, die van koper of aluminium is gemaakt, te vergroten, hebben de onderzoekers vulmaterialen zoals cellulose en rubber toegevoegd. Deze vulstoffen vormen minder dan een tiende van het totale kathodecomposiet, dus ze verminderen de opslagcapaciteit van de batterij niet significant.

Deze vulstoffen verlengen ook de levensduur van de batterijkathode door te voorkomen dat deze barst wanneer lithiumionen in de kathode stromen terwijl de batterij wordt opgeladen.

De primaire materialen die nodig zijn om dit type kathode te vervaardigen zijn een chinon-precursor en een amine-precursor, die al in de handel verkrijgbaar zijn en in grote hoeveelheden worden geproduceerd als basischemicaliën. De onderzoekers schatten dat de materiaalkosten voor het assembleren van deze organische batterijen ongeveer een derde tot de helft van de kosten van kobaltbatterijen zouden kunnen bedragen.

Lamborghini heeft het patent op de technologie in licentie gegeven. Het laboratorium van Dincă is van plan alternatieve batterijmaterialen te blijven ontwikkelen en onderzoekt mogelijke vervanging van lithium door natrium of magnesium, die goedkoper en overvloediger zijn dan lithium.

Meer informatie: Tianyang Chen et al., Een gelaagde organische kathode voor energieke, snelladende en langdurige Li-ionbatterijen, ACS Central Science (2024). DOI:10.1021/acscentsci.3c01478

Journaalinformatie: ACS Centrale Wetenschap

Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.