I samarbete med forskare vid fyra nationella laboratorier i USA har Huolin Xin, UCI-professor i fysik och astronomi, hittat ett sätt att tillverka litiumjonbatterier utan att använda kobolt, ett sällsynt, kostsamt mineral som utvinns under omänskliga förhållanden i Centralafrika. Kredit:Steve Zylius / UCI
Forskare vid University of California, Irvine och fyra nationella laboratorier har utarbetat ett sätt att tillverka litiumjonbatterikatoder utan att använda kobolt, ett mineral som plågas av prisvolatilitet och geopolitiska komplikationer.
I en tidning publicerad idag i Nature , beskriver forskarna hur de övervann termiska och kemisk-mekaniska instabiliteter hos katoder som huvudsakligen består av nickel – en vanlig ersättning för kobolt – genom att blanda in flera andra metalliska element.
"Genom en teknik som vi kallar "högentropidopning", kunde vi framgångsrikt tillverka en koboltfri skiktad katod med extremt hög värmetolerans och stabilitet över upprepade laddnings- och urladdningscykler", säger motsvarande författare Huolin Xin, UCI-professor av fysik och astronomi. "Denna prestation löser långvariga säkerhets- och stabilitetsproblem kring högnickelbatterimaterial, vilket banar väg för breda kommersiella tillämpningar."
Kobolt är en av de mest betydande riskerna i leveranskedjan som hotar en utbredd användning av elbilar, lastbilar och andra elektroniska enheter som kräver batterier, enligt tidningens författare. Mineralet, som är kemiskt lämpat för att stabilisera litiumjonbatteriets katoder, bryts nästan uteslutande i Demokratiska republiken Kongo under kränkande och omänskliga förhållanden.
"Elfordonstillverkare är angelägna om att begränsa användningen av kobolt i sina batteripaket, inte bara för att minska kostnaderna utan för att motverka de metoder för barnarbete som används för att bryta mineralet", sa Xin. "Forskning har också visat att kobolt kan leda till syreutsläpp vid hög spänning, vilket orsakar skador på litiumjonbatterier. Allt detta pekar på ett behov av alternativ."
Däremot har nickelbaserade katoder sina egna problem, såsom dålig värmetolerans, vilket kan leda till oxidation av batterimaterial, termisk rusning och till och med explosion. Även om högnickelkatoder rymmer större kapacitet, kan volympåkänning från upprepad expansion och sammandragning resultera i dålig stabilitet och säkerhetsproblem.
Forskarna försökte ta itu med dessa problem genom sammansättningsmässigt komplex högentropidopning med hjälp av HE-LMNO, en blandning av övergångsmetaller magnesium, titan, mangan, molybden och niob i strukturens inre, med en undergrupp av dessa mineraler som används på dess yta och gränssnitt. med andra batterimaterial.
Xin och hans kollegor använde en rad instrument för synkrotronröntgendiffraktion, transmissionselektronmikroskopi och 3D nanotomografi för att fastställa att deras nollkoboltkatod uppvisade en oöverträffad volymetrisk förändring på noll under upprepad användning. Den mycket stabila strukturen klarar mer än 1 000 cykler och höga temperaturer, vilket gör den jämförbar med katoder med mycket lägre nickelhalt.
För några av dessa forskningsverktyg samarbetade Xin med forskare vid National Synchrotron Light Source II, som ligger vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory i New York. Som en DOE Office of Science-användaranläggning erbjöd NSLS-II teamet tillgång till tre av dess 28 vetenskapliga instrument – så kallade beamlines – för att studera den nya katodens interna struktur.
"Kombinationen av de olika metoderna vid NSLS II-strållinjer möjliggjorde upptäckten av en fångsteffekt av syrevakanser och defekter inuti materialet, vilket effektivt förhindrar sprickbildning i den sekundära HE-LMNO-partikeln, vilket gör denna struktur extremt stabil under cykling." sade medförfattaren Mingyuan Ge, en vetenskapsman vid NSLS-II.
Lade till Xin:"Med hjälp av dessa avancerade verktyg kunde vi observera den dramatiskt ökade termiska stabiliteten och noll-volymetriska förändringsegenskaperna hos katoden, och vi har kunnat demonstrera extraordinärt förbättrad kapacitetsretention och cykellivslängd. Denna forskning kan fastställa scenen för utvecklingen av ett energitätt alternativ till befintliga batterier."
Han sa att arbetet representerar ett steg mot att uppnå det dubbla målet att stimulera spridningen av ren transport och energilagring samtidigt som man tar itu med miljörättvisa frågor kring utvinning av mineraler som används i batterier. + Utforska vidare
