Många elfordon drivs av batterier som innehåller kobolt – en metall som bär höga ekonomiska, miljömässiga och sociala kostnader.
MIT-forskare har nu designat ett batterimaterial som kan erbjuda ett mer hållbart sätt att driva elbilar. Det nya litiumjonbatteriet innehåller en katod baserad på organiska material, istället för kobolt eller nickel (en annan metall som ofta används i litiumjonbatterier).
I en ny studie visade forskarna att detta material, som kan produceras till mycket lägre kostnad än batterier som innehåller kobolt, kan leda elektricitet i liknande hastigheter som koboltbatterier. Det nya batteriet har också jämförbar lagringskapacitet och kan laddas upp snabbare än koboltbatterier, rapporterar forskarna.
"Jag tror att det här materialet kan ha en stor inverkan eftersom det fungerar riktigt bra", säger Mircea Dincă, W.M. Keck professor i energi vid MIT. "Det är redan konkurrenskraftigt med befintliga teknologier, och det kan spara mycket av kostnaderna och smärtan och miljöfrågorna relaterade till brytning av metaller som för närvarande går in i batterier."
Dincă är seniorförfattare till studien, som publiceras idag (18 januari) i tidskriften ACS Central Science . Tianyang Chen Ph.D. '23 och Harish Banda, en före detta postdoc vid MIT, är huvudförfattarna till tidningen. Andra författare inkluderar Jiande Wang, postdoc vid MIT; Julius Oppenheim, doktorand vid MIT; och Alessandro Franceschi, en forskare vid universitetet i Bologna.
De flesta elbilar drivs av litiumjonbatterier, en typ av batteri som laddas när litiumjoner strömmar från en positivt laddad elektrod, kallad katod, till en negativ elektrod, kallad anod. I de flesta litiumjonbatterier innehåller katoden kobolt, en metall som erbjuder hög stabilitet och energitäthet.
Kobolt har dock betydande nackdelar. En knapp metall, dess pris kan fluktuera dramatiskt, och mycket av världens koboltfyndigheter finns i politiskt instabila länder. Koboltutvinning skapar farliga arbetsförhållanden och genererar giftigt avfall som förorenar mark, luft och vatten som omger gruvorna.
"Koboltbatterier kan lagra mycket energi, och de har alla funktioner som folk bryr sig om när det gäller prestanda, men de har frågan om att de inte är allmänt tillgängliga, och kostnaden varierar stort med råvarupriserna. Och när du byter övergång för en mycket högre andel elektrifierade fordon på konsumentmarknaden kommer det definitivt att bli dyrare, säger Dincă.
På grund av de många nackdelarna med kobolt har en hel del forskning lagts ned på att försöka utveckla alternativa batterimaterial. Ett sådant material är litium-järn-fosfat (LFP), som vissa biltillverkare börjar använda i elfordon. Även om LFP fortfarande är praktiskt användbart har bara ungefär hälften så mycket energitäthet som kobolt- och nickelbatterier.
Ett annat tilltalande alternativ är organiska material, men hittills har de flesta av dessa material inte kunnat matcha konduktiviteten, lagringskapaciteten och livslängden för kobolthaltiga batterier. På grund av sin låga ledningsförmåga behöver sådana material vanligtvis blandas med bindemedel som polymerer, vilket hjälper dem att upprätthålla ett ledande nätverk. Dessa bindemedel, som utgör minst 50 procent av det totala materialet, minskar batteriets lagringskapacitet.
För ungefär sex år sedan började Dincăs labb arbeta med ett projekt, finansierat av Lamborghini, för att utveckla ett organiskt batteri som skulle kunna användas för att driva elbilar. När Dincă och hans elever arbetade med porösa material som delvis var organiska och delvis oorganiska, insåg Dincă och hans elever att ett helt organiskt material som de hade gjort verkade vara en stark ledare.
Detta material består av många lager av TAQ (bis-tetraaminobensokinon), en organisk liten molekyl som innehåller tre sammansmälta hexagonala ringar. Dessa lager kan sträcka sig utåt i alla riktningar och bilda en struktur som liknar grafit. Inom molekylerna finns kemiska grupper som kallas kinoner, som är elektronreservoarerna, och aminer som hjälper materialet att bilda starka vätebindningar.
Dessa vätebindningar gör materialet mycket stabilt och även mycket olösligt. Den olösligheten är viktig eftersom den hindrar materialet från att lösas upp i batterielektrolyten, som vissa organiska batterimaterial gör, och förlänger därmed dess livslängd.
"En av de viktigaste metoderna för nedbrytning av organiska material är att de helt enkelt löses upp i batterielektrolyten och går över till den andra sidan av batteriet, vilket i huvudsak skapar en kortslutning. Om du gör materialet helt olösligt, gör den processen inte händer, så vi kan gå till över 2 000 laddningscykler med minimal försämring, säger Dincă.
Tester av detta material visade att dess konduktivitet och lagringskapacitet var jämförbar med den för traditionella kobolthaltiga batterier. Dessutom kan batterier med en TAQ-katod laddas och laddas ur snabbare än befintliga batterier, vilket kan påskynda laddningshastigheten för elfordon.
För att stabilisera det organiska materialet och öka dess förmåga att vidhäfta batteriets strömavtagare, som är gjord av koppar eller aluminium, tillsatte forskarna utfyllnadsmaterial som cellulosa och gummi. Dessa fyllmedel utgör mindre än en tiondel av den totala katodkompositen, så de minskar inte nämnvärt batteriets lagringskapacitet.
Dessa fyllmedel förlänger också batterikatodens livslängd genom att förhindra att den spricker när litiumjoner strömmar in i katoden när batteriet laddas.
De primära materialen som behövs för att tillverka denna typ av katod är en kinonprekursor och en aminprekursor, som redan är kommersiellt tillgängliga och produceras i stora mängder som råvarukemikalier. Forskarna uppskattar att materialkostnaden för att montera dessa organiska batterier kan vara ungefär en tredjedel till hälften av kostnaden för koboltbatterier.
Lamborghini har licensierat patentet på tekniken. Dincăs labb planerar att fortsätta utveckla alternativa batterimaterial och undersöker möjlig ersättning av litium med natrium eller magnesium, som är billigare och mer rikligt än litium.
Mer information: Tianyang Chen et al, A Layered Organic Cathode for High-Energy, Fast Charging and Long-Lasting Li-Ion Batteries, ACS Central Science (2024). DOI:10.1021/acscentsci.3c01478
Journalinformation: ACS Central Science
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
