Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion), перезаряжаемые батареи, которые могут накапливать энергию за счет обратимого восстановления ионов лития, являются одними из наиболее распространенных аккумуляторных технологий благодаря их замечательной производительности и увеличенному сроку службы. Многие существующие и разрабатываемые технологии в настоящее время питаются от этих батарей, включая смартфоны, ноутбуки и электромобили.
Несмотря на свои преимущества, литий-ионные аккумуляторы становятся все более дорогими, поскольку они содержат материалы, которые пользуются большим спросом и которые трудно получить в больших количествах, такие как кобальт (Co) и никель (Ni). Таким образом, производители аккумуляторов и эксперты в области энергетики пытались определить альтернативные конструкции, которые практически не требуют кобальта и никеля, поскольку они могли бы снизить стоимость литий-ионных аккумуляторов и облегчить их крупномасштабное производство.
Исследователи из Калифорнийского университета в Ирвайне и других институтов по всей территории Соединенных Штатов недавно представили новую стратегию создания катодов, не содержащих кобальт, для литий-ионных аккумуляторов, которые не оказывают отрицательного влияния на их эксплуатационные характеристики. Их исследование, опубликованное в журнале Nature Energy, финансировалось Управлением транспортных технологий Министерства энергетики США.
«Наш проект стартовал в 2018 году и закончился в марте 2023 года», — рассказал Tech Xplore Хуолинь Синь, один из исследователей, проводивших исследование. «Когда мы начинали наше исследование, вся промышленность работала над катодом со сверхвысоким содержанием никеля, чтобы заменить или снизить потребление Co. В 2019 году проблема того, что Ni станет следующей болевой точкой для индустрии электромобилей, уже сформировалась в моем сознании, потому что я обнаружил, что цена Ni уже выросла на треть от цены Co. Во время совещания по обзору проекта в конце 2019 года я от имени своей команды принял несколько новогодних решений, одним из которых было создание катода с низким содержанием Ni и высоким содержанием Mn, не содержащего Co, чтобы обойти проблему с Ni».
В 2020 году Синь и его коллеги разработали новую стратегию для достижения нулевой деформации в катодно-активном материале с высоким содержанием никеля (Ni-80%) (CAM). Их стратегия основана на так называемом комплексном легировании концентрацией — методе изменения свойств материалов с использованием определенных химических веществ (например, легирующих добавок).
«После того, как это предыдущее исследование было опубликовано в Nature, я сказал своей команде, что мы должны попытаться применить эту стратегию для создания камеры с низким содержанием Ni», — объяснил Синь. «Очень успешно мы быстро показали, что стратегия комплексного легирования концентрацией может обеспечить коммерчески жизнеспособный CAM с низким содержанием Ni и высоким содержанием Mn.
Стратегия комплексного допинга концентрацией, предложенная Сином и его коллегами, имеет несколько заметных преимуществ. Было обнаружено, что благодаря смешиванию с низким содержанием катионов обеспечивается высокая емкость 190 мАч / г при C / 10 и высокая удельная энергия 700 втч /кг при C / 3 в катодных материалах, а также высокая термическая стабильность и длительный срок службы батареи.
«Предлагаемая нами стратегия отличается низкой стоимостью, поскольку в ней не содержится кобальта, содержание Ni снижено на 50%, а Mn, основной материал, который мы используем, дешевый», — сказал Синь. «Мы продемонстрировали низкое содержание катионов, что обеспечивает высокую емкость (190 мАч/ г при C / 10) и высокую удельную энергию (700 втч/кг при C /3), высокую термостабильность, превосходящую показатели NMC-532, и длительный срок службы, достигающий > 4000 циклов, что делает его конкурентоспособным против клеток LFP.»
В отличие от других предлагаемых стратегий снижения зависимости литий-ионных аккумуляторов от Co и Ni, подход, предложенный Синем и его коллегами, не требует нанесения покрытия на поверхность материалов. Это облегчает его реализацию в крупномасштабном масштабе.
В ходе первоначальных испытаний катоды, не содержащие Co, созданные с использованием стратегии команды, показали замечательные результаты, что позволило изготавливать стабильные и эффективные литий-ионные аккумуляторы с длительным сроком службы. В будущем это может быть использовано для создания более доступных литий-ионных аккумуляторов для широкого спектра применений, а также потенциально вдохновит на внедрение аналогичных подходов, основанных на легировании, для создания аккумуляторов, не содержащих кобальт.
«Сейчас мы работаем над камерами следующего поколения с еще более низким содержанием Ni / Co, что снова снизит стоимость материалов для камер», — добавил Синь.