Op lithium gebaseerde batterijen gebruiken meer dan 50 procent van al het kobalt dat in de wereld wordt geproduceerd. Deze batterijen zitten in je mobiele telefoon, laptop en misschien zelfs uw auto. Ongeveer 50 procent van het kobalt in de wereld komt uit Congo, waar het grotendeels met de hand wordt gedolven, in sommige gevallen door kinderen. Maar nu, een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van de Universiteit van Californië, Berkeley, heeft de deur geopend voor het gebruik van andere metalen in op lithium gebaseerde batterijen, en hebben kathoden gebouwd met 50 procent meer lithiumopslagcapaciteit dan conventionele materialen.

"We hebben een nieuwe chemische ruimte geopend voor batterijtechnologie, " zei senior auteur Gerbrand Ceder, professor aan de afdeling Materials Science and Engineering in Berkeley. "Voor het eerst hebben we een echt goedkoop element dat veel elektronen kan uitwisselen in batterijen."

De studie zal worden gepubliceerd in de 12 april-editie van het tijdschrift Natuur . Het werk was een samenwerking tussen wetenschappers van UC Berkeley, Berkeley-lab, Nationaal laboratorium Argonne, MIT en UC Santa Cruz.

In de huidige op lithium gebaseerde batterijen, lithiumionen worden opgeslagen in kathoden (de negatief geladen elektrode), die gelaagde structuren zijn. Kobalt is cruciaal om deze gelaagde structuur te behouden. Wanneer een batterij is opgeladen, lithiumionen worden van de kathode naar de andere kant van de batterijcel getrokken, de anode. De afwezigheid van lithium in de kathode laat veel ruimte over. De meeste metaalionen zouden in die ruimte stromen, waardoor de kathode zijn structuur zou verliezen. Maar kobalt is een van de weinige elementen die niet kan bewegen, waardoor het van cruciaal belang is voor de batterij-industrie.

In 2014, Ceder's lab ontdekte een manier waarop kathoden een hoge energiedichtheid kunnen behouden zonder deze lagen, een concept genaamd wanordelijke steenzouten. De nieuwe studie laat zien hoe mangaan binnen dit concept kan werken, dat is een veelbelovende stap verwijderd van kobaltafhankelijkheid omdat mangaan in vuil wordt aangetroffen, waardoor het een goedkoop element wordt.

"Om het grondstoffenprobleem van kobalt aan te pakken, je moet weg van deze gelaagdheid in kathoden, "Zei Ceder. "Door de kathodes te ontregelen, hebben we met veel meer van het periodiek systeem kunnen spelen."

In de nieuwe studie Het lab van Ceder laat zien hoe nieuwe technologieën kunnen worden ingezet om veel capaciteit uit een kathode te halen. Met behulp van een proces genaamd fluordoping, de wetenschappers verwerkten een grote hoeveelheid mangaan in de kathode. Door meer mangaanionen met de juiste lading te hebben, kunnen de kathoden meer lithiumionen bevatten, waardoor de capaciteit van de batterij wordt vergroot.

Andere onderzoeksgroepen hebben geprobeerd kathoden te fluoreren, maar zijn niet succesvol geweest. Ceder zegt dat het werk van zijn laboratorium aan ongeordende structuren een grote sleutel tot hun succes was.

Kathodeprestaties worden gemeten in energie per gewichtseenheid, wattuur per kilogram genoemd. De ongeordende mangaankathoden naderden 1, 000 wattuur per kilogram. Typische lithium-ion-kathoden liggen in het bereik van 500-700 wattuur per kilogram.

"In de wereld van batterijen, dit is een enorme verbetering ten opzichte van conventionele kathoden, " zei hoofdauteur Jinhyuk Lee, die een postdoctoraal onderzoeker was in Ceder's lab tijdens de studie, en is nu een postdoctoraal onderzoeker aan het MIT.

De technologie moet worden opgeschaald en meer getest om te zien of deze kan worden gebruikt in toepassingen zoals laptops of elektrische voertuigen. Maar Ceder zegt dat het niet ter zake doet of deze technologie daadwerkelijk in een batterij terechtkomt; de onderzoekers hebben nieuwe mogelijkheden geopend voor het ontwerp van kathoden, wat nog belangrijker is.

"Je kunt nu vrijwel elk element in het periodiek systeem gebruiken, omdat we hebben aangetoond dat kathoden niet gelaagd hoeven te zijn, " zei Ceder. "Plots hebben we veel meer chemische vrijheid, en ik denk dat daar de echte opwinding zit, want nu kunnen we nieuwe kathodes verkennen."