Onderzoekers van de Universiteit van Californië, Irvine en vier nationale laboratoria hebben een manier bedacht om kathoden voor lithium-ionbatterijen te maken zonder kobalt te gebruiken, een mineraal dat wordt geplaagd door prijsvolatiliteit en geopolitieke complicaties.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Nature , beschrijven de wetenschappers hoe ze thermische en chemisch-mechanische instabiliteiten overwonnen van kathoden die grotendeels uit nikkel bestonden - een veel voorkomende vervanging voor kobalt - door verschillende andere metalen elementen te mengen.

"Door middel van een techniek die we 'high-entropy doping' noemen, waren we in staat om met succes een kobaltvrije gelaagde kathode te fabriceren met extreem hoge hittetolerantie en stabiliteit gedurende herhaalde laad- en ontlaadcycli," zei de corresponderende auteur Huolin Xin, UCI-professor van natuurkunde en sterrenkunde. "Deze prestatie lost al lang bestaande veiligheids- en stabiliteitsproblemen rond materialen met een hoog nikkelgehalte op, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor brede commerciële toepassingen."

Kobalt is een van de belangrijkste risico's in de toeleveringsketen en bedreigt de wijdverbreide acceptatie van elektrische auto's, vrachtwagens en andere elektronische apparaten waarvoor batterijen nodig zijn, aldus de auteurs van het artikel. Het mineraal, dat chemisch geschikt is voor het stabiliseren van kathoden van lithium-ionbatterijen, wordt bijna uitsluitend in de Democratische Republiek Congo gewonnen onder gewelddadige en onmenselijke omstandigheden.

"Fabrikanten van elektrische voertuigen staan ​​te popelen om het gebruik van kobalt in hun batterijpakketten aan banden te leggen, niet alleen om de kosten te drukken, maar ook om kinderarbeid tegen te gaan die wordt gebruikt om het mineraal te ontginnen," zei Xin. "Onderzoek heeft ook aangetoond dat kobalt kan leiden tot het vrijkomen van zuurstof bij hoge spanning, wat schade aan lithium-ionbatterijen kan veroorzaken. Dit alles wijst op de noodzaak van alternatieven."

Kathodes op nikkelbasis hebben echter hun eigen problemen, zoals een slechte hittetolerantie, die kan leiden tot oxidatie van batterijmaterialen, thermische op hol geslagen en zelfs explosies. Hoewel kathoden met hoog nikkel geschikt zijn voor grotere capaciteiten, kan volumebelasting door herhaalde uitzetting en samentrekking resulteren in slechte stabiliteit en veiligheidsproblemen.

De onderzoekers probeerden deze problemen aan te pakken door middel van compositorisch complexe doping met hoge entropie met behulp van HE-LMNO, een samensmelting van overgangsmetalen magnesium, titanium, mangaan, molybdeen en niobium in het interieur van de structuur, met een subset van deze mineralen die op het oppervlak en de interface worden gebruikt met ander batterijmateriaal.

Xin en zijn collega's gebruikten een reeks synchrotron-röntgendiffractie-, transmissie-elektronenmicroscopie- en 3D-nanotomografie-instrumenten om te bepalen dat hun nul-kobaltkathode een ongekende volumetrische verandering van nul vertoonde tijdens herhaald gebruik. De zeer stabiele structuur is bestand tegen meer dan 1.000 cycli en hoge temperaturen, waardoor het vergelijkbaar is met kathoden met een veel lager nikkelgehalte.

Voor sommige van deze onderzoekstools werkte Xin samen met onderzoekers van de National Synchrotron Light Source II, gevestigd in het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie in New York. Als een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit bood NSLS-II het team toegang tot drie van zijn 28 wetenschappelijke instrumenten, beamlines genaamd, om de interne structuur van de nieuwe kathode te bestuderen.

"De combinatie van de verschillende methoden bij NSLS II-bundellijnen maakte de ontdekking mogelijk van een opsluitend effect van zuurstofvacatures en defecten in het materiaal, wat effectief de scheurvorming in het HE-LMNO secundaire deeltje voorkomt, waardoor deze structuur extreem stabiel is tijdens het fietsen", zei co-auteur Mingyuan Ge, een wetenschapper bij NSLS-II.

Xin toegevoegd:"Met behulp van deze geavanceerde tools waren we in staat om de dramatisch verhoogde thermische stabiliteit en nul-volumetrische veranderingskarakteristieken van de kathode waar te nemen, en we hebben een buitengewoon verbeterde capaciteitsretentie en cyclusleven kunnen aantonen. het podium voor de ontwikkeling van een energierijk alternatief voor bestaande batterijen."

Hij zei dat het werk een stap is in de richting van het bereiken van het tweeledige doel om de verspreiding van schoon transport en energieopslag te stimuleren en tegelijkertijd milieurechtvaardigheidskwesties aan te pakken rond de winning van mineralen die in batterijen worden gebruikt. + Verder verkennen

Nieuw kathodeontwerp lost grote barrière op voor betere lithium-ionbatterijen