Litiumbaserade batterier använder mer än 50 procent av all kobolt som produceras i världen. Dessa batterier finns i din mobiltelefon, bärbar dator och kanske till och med din bil. Cirka 50 procent av världens kobolt kommer från Kongo, där det till stor del bryts för hand, i vissa fall av barn. Men nu, en forskargrupp ledd av forskare vid University of California, Berkeley, har öppnat dörren för att använda andra metaller i litiumbaserade batterier, och har byggt katoder med 50 procent mer litiumlagringskapacitet än konventionella material.

"Vi har öppnat ett nytt kemiskt område för batteriteknik, " sa seniorförfattaren Gerbrand Ceder, professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid Berkeley. "För första gången har vi ett riktigt billigt element som kan göra mycket elektronbyte i batterier."

Studien kommer att publiceras i den 12 april upplagan av tidskriften Natur . Arbetet var ett samarbete mellan forskare vid UC Berkeley, Berkeley Lab, Argonne National Lab, MIT och UC Santa Cruz.

I dagens litiumbaserade batterier, litiumjoner lagras i katoder (den negativt laddade elektroden), som är skiktade strukturer. Kobolt är avgörande för att bibehålla denna skiktade struktur. När ett batteri laddas, litiumjoner dras från katoden till den andra sidan av battericellen, anoden. Frånvaron av litium i katoden lämnar mycket utrymme. De flesta metalljoner skulle flockas in i det utrymmet, vilket skulle få katoden att förlora sin struktur. Men kobolt är ett av de få grundämnena som inte rör sig, vilket gör det avgörande för batteriindustrin.

Under 2014, Ceders labb upptäckte ett sätt som katoder kan bibehålla en hög energitäthet utan dessa lager, ett begrepp som kallas oordnade bergsalter. Den nya studien visar hur mangan kan fungera inom detta koncept, vilket är ett lovande steg bort från koboltberoende eftersom mangan finns i smuts, vilket gör det till ett billigt inslag.

"För att ta itu med resursfrågan om kobolt, du måste gå bort från denna skikt i katoder, "Ceder sa. "Oordnade katoder har gjort det möjligt för oss att leka med mycket mer av det periodiska systemet."

I den nya studien, Ceders labb visar hur ny teknik kan användas för att få ut mycket kapacitet från en katod. Genom att använda en process som kallas fluordopning, forskarna införlivade en stor mängd mangan i katoden. Att ha fler manganjoner med rätt laddning gör att katoderna kan hålla fler litiumjoner, vilket ökar batteriets kapacitet.

Andra forskargrupper har försökt fluordopa katoder men har inte lyckats. Ceder säger att hans labbs arbete med oordnade strukturer var en stor nyckel till deras framgång.

Katodprestanda mäts i energi per viktenhet, kallas wattimmar per kilogram. De oordnade mangankatoderna närmade sig 1, 000 watt-timmar per kilo. Typiska litiumjonkatoder ligger i intervallet 500-700 wattimmar per kilogram.

"I batteriernas värld, detta är en enorm förbättring jämfört med konventionella katoder, " sa huvudförfattaren Jinhyuk Lee, som var postdoktor vid Ceder's lab under studien, och är nu postdoktor vid MIT.

Tekniken behöver skalas upp och testas mer för att se om den kan användas i applikationer som bärbara datorer eller elfordon. Men Ceder säger att huruvida den här tekniken faktiskt gör det inuti ett batteri är vidrigt; forskarna har öppnat nya möjligheter för design av katoder, vilket är ännu viktigare.

"Du kan i stort sett använda vilket element som helst i det periodiska systemet nu eftersom vi har visat att katoder inte behöver vara skiktade, " sa Ceder. "Plötsligt har vi mycket mer kemisk frihet, och jag tror att det är där den verkliga spänningen ligger för nu kan vi utforska nya katoder."