Pubblicato originariamente su The Cockrell School of Engineering presso l'Università del Texas ad Austin
AUSTIN, Texas — Per decenni, i ricercatori hanno cercato modi per eliminare il cobalto dalle batterie ad alta energia che alimentano i dispositivi elettronici, a causa del suo costo elevato e delle ramificazioni sui diritti umani delle sue attività minerarie. Ma i tentativi passati non sono stati all'altezza degli standard di prestazioni delle batterie al cobalto.
Immagine per gentile concessione di UT News, Università del Texas ad Austin, questi campioni di polvere saranno fabbricati per diventare il catodo privo di cobalto.
I ricercatori della Cockrell School of Engineering dell'Università del Texas ad Austin affermano di aver decifrato il codice per una batteria agli ioni di litio ad alta energia priva di cobalto, eliminando il cobalto e aprendo le porte alla riduzione dei costi di produzione delle batterie aumentando allo stesso tempo prestazioni in qualche modo. Il team ha segnalato una nuova classe di catodi - l'elettrodo in una batteria in cui risiede tutto il cobalto - ancorati da un alto contenuto di nichel. Il catodo nel loro studio è l'89% di nichel. Manganese e alluminio costituiscono gli altri elementi chiave.
Più nichel in una batteria significa che può immagazzinare più energia. Questa maggiore densità di energia può portare a una maggiore durata della batteria per un telefono o una maggiore autonomia per un veicolo elettrico ad ogni ricarica.
I risultati sono apparsi questo mese sulla rivista Advanced Materials. L'articolo è stato scritto da Arumugam Manthiram, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica Walker e direttore del Texas Materials Institute, Ph.D. studente Steven Lee e dottorato di ricerca laureato Wangda Li.
Estratto da materiali avanzati :
LiNi ad alto contenuto di nichel1−x−y Mnx Coy O2 (NMC) e LiNi1−x−y Cox Tutti e O2 (NCA) sono i materiali catodici scelti per le batterie agli ioni di litio ad alta energia di prossima generazione. Sia NMC che NCA contengono cobalto, un metallo costoso e scarso generalmente ritenuto essenziale per le loro prestazioni elettrochimiche. Qui, un alto Ni LiNi1−x−y Mnx Tutti e O2 Il catodo (NMA) con proprietà elettrochimiche desiderabili è stato confrontato con NMC, NCA e NMC codificato con Al-Mg (NMCAM) di identico contenuto di Ni (89 mol%) sintetizzato internamente.
Nonostante una capacità specifica leggermente inferiore, l'NMA ad alto Ni funziona a una tensione maggiore di ≈40 mV e non mostra alcun compromesso nella capacità di velocità rispetto a NMC e NCA. Nelle celle a sacchetto accoppiate con grafite, l'NMA ad alto Ni supera sia NMC che NCA e segue solo leggermente NMCAM e un catodo commerciale dopo 1000 cicli profondi. Inoltre, la stabilità termica superiore di NMA a NMC, NCA e NMCAM viene mostrata utilizzando la calorimetria a scansione differenziale. Considerando la flessibilità nella messa a punto della composizione e la scalabilità immediata della sintesi di NMA ad alto Ni molto simile a NCA e NMC, questo studio apre un nuovo spazio per lo sviluppo di materiali catodici per batterie agli ioni di litio ad alta energia e prive di cobalto di prossima generazione.
In genere, una maggiore densità di energia porta a compromessi, come una durata del ciclo più breve:il numero di volte in cui una batteria può essere caricata e scaricata prima che perda efficienza e non possa più essere caricata completamente. L'eliminazione del cobalto di solito rallenta la risposta cinetica di una batteria e porta a una capacità di velocità inferiore:la velocità con cui il catodo può essere caricato o scaricato. Tuttavia, i ricercatori hanno affermato di aver superato i problemi di durata del ciclo breve e scarsa capacità di velocità trovando una combinazione ottimale di metalli e garantendo una distribuzione uniforme dei loro ioni.
La maggior parte dei catodi per batterie agli ioni di litio utilizza combinazioni di ioni metallici, come nichel-manganese-cobalto (NMC) o nichel-cobalto-alluminio (NCA). I catodi possono coprire circa la metà dei costi dei materiali per l'intera batteria, con il cobalto che è l'elemento più costoso. Con un prezzo di circa $ 28.500 per tonnellata, è più costoso di nichel, manganese e alluminio messi insieme e rappresenta dal 10% al 30% della maggior parte dei catodi delle batterie agli ioni di litio.
Il cobalto è il componente meno abbondante e più costoso nei catodi delle batterie", ha affermato Manthiram. "E lo stiamo eliminando completamente."
La chiave della svolta dei ricercatori può essere trovata a livello atomico. Durante la sintesi, sono stati in grado di garantire che gli ioni dei vari metalli rimanessero distribuiti uniformemente attraverso la struttura cristallina nel catodo. Quando questi ioni si accumulano, le prestazioni si degradano e quel problema ha afflitto le precedenti batterie prive di cobalto ad alta energia, ha detto Manthiram. Mantenendo gli ioni distribuiti uniformemente, i ricercatori sono stati in grado di evitare la perdita di prestazioni.
Il nostro obiettivo è utilizzare solo metalli abbondanti e convenienti per sostituire il cobalto mantenendo le prestazioni e la sicurezza", ha affermato Li, "e sfruttare i processi di sintesi industriale che sono immediatamente scalabili".
Manthiram, Li e l'ex ricercatore post-dottorato Evan Erickson hanno lavorato con l'Office of Technology Commercialization di UT per formare una startup chiamata TexPower per portare la tecnologia sul mercato. I ricercatori hanno ricevuto sovvenzioni dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, che ha cercato di ridurre la dipendenza dalle importazioni per i materiali chiave delle batterie.
L'industria ha deciso di non usare cobalto, in particolare uno sforzo di Tesla per eliminare il materiale dalle batterie che alimentano i suoi veicoli elettrici. Con le grandi organizzazioni governative e le società private concentrate sulla riduzione della dipendenza dal cobalto, non sorprende che questa ricerca sia diventata competitiva. I ricercatori hanno affermato di aver evitato problemi che hanno ostacolato altri tentativi di batterie prive di cobalto e ad alta energia con innovazioni sulla giusta combinazione di materiali e il controllo preciso della loro distribuzione.
Stiamo aumentando la densità di energia e riducendo i costi senza sacrificare la durata del ciclo", ha affermato Manthiram. "Ciò significa distanze di guida più lunghe per i veicoli elettrici e una migliore durata della batteria per laptop e cellulari."
Immagine per gentile concessione di UT News, Università del Texas ad Austin, questi campioni di polvere saranno fabbricati per diventare il catodo privo di cobalto.Le batterie si stanno rompendo
