Исследование, профинансированное Управлением транспортных средств Министерства энергетики США, представило новую стратегию создания катодов для литий-ионных аккумуляторов, не содержащих кобальта, и при этом сохраняющих высокую производительность. Об этом сообщает портал TechXplore. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы – перезаряжаемые батареи, поскольку могут накапливать энергию за счет обратимого восстановления ионов лития, и являются одними из наиболее распространенных аккумуляторных технологий благодаря высокой производительности и долгому сроку службы. В настоящее время от такого типа батарей питается множество устройств, включая смартфоны, ноутбуки и электромобили.
Несмотря на свои преимущества, литий-ионные аккумуляторы становятся все более дорогими, поскольку они содержат дефицитные материалы – такие как кобальт (Co) и никель (Ni). Производители аккумуляторов и эксперты в области энергетики ищут альтернативные конструкции, которые требуют минимум кобальта и никеля или вообще не требуют их, поскольку это способно снизить стоимость выпуска литий-ионных аккумуляторов и облегчить их крупномасштабное производство.
Исследователи из нескольких крупных научных центров в США представили в журнале Nature Energy новый подход к технологиям создания катодных материалов с низким содержанием никеля, основанный на дальнейшем развитии стратегии «концентрированного комплексного легирования».
«Наш проект начался в 2018 году и завершился в марте 2023 года. На момент начала нашего исследования вся отрасль работала над катодом со сверхвысоким содержанием никеля, чтобы заменить или снизить использование кобальта. И уже вскоре цена на Ni выросла до одной трети цены на Co. Во время совещания по рассмотрению проекта в конце 2019 года, от имени моей научной группы я принял несколько ключевых решений, одним из которых было создание катода без кобальта с высоким содержанием марганца, чтобы обойти болевые точки никеля», – рассказал TechXplore один из ведущих исследователей – Хуолинь Синь из Калифорнийского университета в Ирвине.
В 2020 году Синь и его коллеги разработали новую стратегию для достижения нулевой деформации в активном катодном материале с высоким содержанием никеля (Ni-80%). Их стратегия была основана на так называемом концентрированном комплексном легировании – методе изменения свойств материалов с использованием легирующих примесей.
После этого Синь поставил перед своей научной группой задачу применить эту стратегию для разработки коммерчески жизнеспособного катода с низким содержанием никеля и высоким содержанием марганца. Было обнаружено, что за счет смешивания с низким содержанием катионов катодный материал обеспечивает высокую емкость 190 мАч/г и высокую удельную энергию 700 Вт-ч/кг, а также высокую термическую стабильность и длительный срок службы батареи, который в опытных образцах смог достичь показателя свыше 4000 циклов.
«Предложенная нами новая стратегия отличается низкой стоимостью, поскольку она не содержит кобальта, содержание никеля снижено на 50%, а марганец, основной материал, который мы используем, дешев», – указал Синь.
Предложенный им и его коллегами новый подход, в отличие от других ранее разработанных стратегий по снижению зависимости литий-ионных аккумуляторов от Co и Ni, не требует покрытия поверхности материалов. Это облегчает реализацию технологии для производства в больших масштабах.
«Сейчас мы работаем над катодными материалами следующего поколения, которые имеют еще более низкое содержание Ni/Co», – добавил Синь.