Новый класс безкобальтовых катодов может повысить плотность энергии литий-ионных батарей следующего поколения

Исследователи Национальной лаборатории Оук-Ридж разработали новое семейство катодов, которые могут заменить дорогие катоды на основе кобальта, которые обычно содержатся в современных литий-ионных аккумуляторах, питающих электромобили и бытовую электронику.

Новый класс под названием NFA, обозначающий катод на основе никеля, железа и алюминия, является производным никеляту лития и может быть использован для изготовления положительного электрода литий-ионной батареи. Эти новые катоды спроектированы для быстрой зарядки, энергоемкости, экономичности и долговечности.

С ростом производства портативной электроники и электромобилей во всем мире литий-ионные аккумуляторы пользуются большим спросом. По словам Илиаса Белхаруака, ученого ORNL, который руководит исследованиями и разработками NFA, к 2030 году ожидается выезд более 100 000 000 электромобилей. Кобальт – это металл, необходимый в настоящее время для катода, который составляет значительную часть иона лития стоимость батареи.

Новый класс безкобальтовых катодов может повысить плотность энергии литий-ионных батарей следующего поколения
Кобальт редкий и добывается в основном за рубежом, что затрудняет приобретение и производство катодов. Как результат, поиск альтернативного кобальтовые материала, который можно изготовить экономически эффективно, стал приоритетом исследований литий-ионных батарей.

Ученые ORNL проверили эффективность катодов класса NFA и определили, что они являются перспективными заменителями катодов на основе кобальта, как описано в Advanced Materials и Journal of Power Source. Исследователи использовали нейтронную дифракцию, спектроскопию Моссбауера и другие передовые методы характеристики, чтобы исследовать атомные и микроструктуры НФА, а также электрохимические свойства.

“Наши исследования о поведении зарядки и разряда NFA показали, что эти катоды испытывают подобных электрохимических реакций, как катоды на основе кобальта, и обеспечивают достаточно высокую удельную мощность, чтобы удовлетворить потребности в энергии аккумулятора”, – сказал Белхаруак.

Хотя исследования класса NFA находятся на ранних стадиях, Белхаруак отметил, что предварительные результаты его команды на сегодняшний день свидетельствуют о том, что кобальт может не понадобиться для литий-ионных батарей следующего поколения.

“Мы разрабатываем катод, который имеет подобные или лучшие электрохимические характеристики, чем катоды на основе кобальта, используя более дешевое сырье”, – сказал он.

Белхаруак добавил, что NFA не только работает как катоды на основе кобальта, но процесс производства катодов NFA может быть интегрирован в существующие глобальные процессы производства катодов.

“Никелат лития уже давно исследовали как материал, который выбирают для изготовления катодов, но он страдает от внутренних структурных и электрохимических нестабильности”, – сказал он. “В своем исследовании мы заменили часть никеля железом и алюминий для повышения стабильности катода. Железо и алюминий являются экономически выгодными, устойчивыми и экологически чистыми материалами “.

Будущие исследования и разработки класса NFA включать тестирование материалов в широкоформатных ячейках для проверки результатов лабораторных исследований и дальнейшего изучения пригодности этих катодов для использования в электромобилях.

Дополнительными исследователями статей журнала является Нитин Муралидхаран, Рашид Эсселя, Рафаэль Герман, Рухул Амин, Шарль Джафта, Джундже Чжан, Джуе Лю, Чжицзя Ду, Гарри Мейер, Итан Селф, Джагджит Нанда и Яокай Бай.

Спонсором этой работы выступило Управление по энергоэффективности и транспортных технологий возобновляемых источников энергии DOE.