I vår framtida elektrifierade värld förväntas efterfrågan på batterilagring vara enorm och uppgå till uppemot 2 till 10 terawattimmar (TWh) årlig batteriproduktion år 2030, från mindre än 0,5 TWh idag. Men oron växer för huruvida nyckelråvaror kommer att vara tillräckliga för att möta denna framtida efterfrågan. Litiumjonbatteriet – den dominerande tekniken under överskådlig framtid – har en komponent gjord av kobolt och nickel, och dessa två metaller möter allvarliga leveransbegränsningar på den globala marknaden.

Nu, efter flera års forskning ledd av Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), har forskare gjort betydande framsteg i att utveckla batterikatoder med användning av en ny klass av material som ger batterier samma om inte högre energitäthet än konventionella litiumjonbatterier men kan vara gjord av billiga och rikliga metaller. Känd som DRX, som står för oordnade bergsalter med överskott av litium, uppfanns denna nya familj av material för mindre än 10 år sedan och gör att katoder kan tillverkas utan nickel eller kobolt.

"Det klassiska litiumjonbatteriet har tjänat oss väl, men när vi överväger framtida krav på energilagring, utsätter dess beroende av vissa kritiska mineraler oss inte bara för risker i leveranskedjan, utan också för miljömässiga och sociala frågor", säger Ravi Prasher. Berkeley Labs Associate Lab Director för energiteknik. "Med DRX-material ger detta litiumbatterier potentialen att vara grunden för hållbar batteriteknik för framtiden."

Katoden är en av de två elektroderna i ett batteri och står för mer än en tredjedel av kostnaden för ett batteri. För närvarande använder katoden i litiumjonbatterier en klass av material som kallas NMC, med nickel, mangan och kobolt som nyckelingredienser.

"Jag har gjort katodforskning i över 20 år, letat efter nya material, och DRX är det bästa nya materialet jag någonsin sett", säger Berkeley Labs batteriforskare Gerbrand Ceder, som är med och leder forskningen. "Med den nuvarande NMC-klassen, som är begränsad till bara nickel, kobolt och en inaktiv komponent gjord av mangan, är det klassiska litiumjonbatteriet i slutet av sin prestandakurva om du inte överför till nya katodmaterial, och det är vad som DRX-program erbjuder. DRX-material har enorm sammansättningsflexibilitet – och detta är mycket kraftfullt eftersom du inte bara kan använda alla typer av rikligt med metaller i en DRX-katod, utan du kan också använda vilken typ av metall som helst för att åtgärda eventuella problem som kan dyka upp under de tidiga stadierna av att designa nya batterier. Det är därför vi är så exalterade."

Kobolt- och nickelförsörjningskedjans risker

Det amerikanska energidepartementet (DOE) har gjort det till en prioritet att hitta sätt att minska eller eliminera användningen av kobolt i batterier. "Batteriindustrin står inför en enorm resurskrisa", säger Ceder. "Även vid 2 TWh, det lägre intervallet för globala efterfrågeprognoser, skulle det förbruka nästan all dagens nickelproduktion, och med kobolt är vi inte ens nära. Koboltproduktionen idag är bara cirka 150 kiloton, och 2 TWh batterikraft skulle kräver 2 000 kiloton nickel och kobolt i någon kombination."

Dessutom används för närvarande över två tredjedelar av världens nickelproduktion för att tillverka rostfritt stål. Och mer än hälften av världens produktion av kobolt kommer från Demokratiska republiken Kongo, med Ryssland, Australien, Filippinerna och Kuba som avrundar de fem största producenterna av kobolt.

Däremot kan DRX-katoder använda nästan vilken metall som helst i stället för nickel och kobolt. Forskare vid Berkeley Lab har fokuserat på att använda mangan och titan, som är både rikligare och billigare än nickel och kobolt.

"Manganoxid och titanoxid kostar mindre än $1 per kilogram medan kobolt kostar omkring $45 per kilogram och nickel omkring $18," sade Ceder. "Med DRX har du potentialen att göra mycket billig energilagring. Då blir litiumjonen oslagbar och kan användas överallt - för fordon, nätet - och vi kan verkligen göra energilagring riklig och billig."

Ordnad vs. oordnad

Ceder och hans team utvecklade DRX-material 2014. I batterier översätts antalet och hastigheten av litiumjoner som kan färdas in i katoden till hur mycket energi och kraft batteriet har. I konventionella katoder färdas litiumjoner genom katodmaterialet längs väldefinierade vägar och ordnar sig mellan övergångsmetallatomerna (vanligtvis kobolt och nickel) i snygga, ordnade lager.

Vad Ceders grupp upptäckte var att en katod med en oordnad atomstruktur kunde hålla mer litium - vilket betyder mer energi - samtidigt som det tillåter ett bredare utbud av element att fungera som övergångsmetall. De lärde sig också att inom det kaoset kan litiumjoner lätt hoppa runt.

Under 2018 gav Vehicle Technologies Office i DOE:s Office of Energy Efficiency and Renewable Energy finansiering till Berkeley Lab för att ta en "djupdykning" i DRX-material. I samarbete med forskare vid Oak Ridge National Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory och UC Santa Barbara, har Berkeley Lab-team under ledning av Ceder och Guoying Chen gjort enorma framsteg när det gäller att optimera DRX-katoder i litiumjonbatterier.

Till exempel var laddningshastigheten - eller hur snabbt batteriet kan laddas - för dessa material från början mycket låg, och dess stabilitet var också dålig. Forskargruppen har hittat sätt att ta itu med båda dessa frågor genom modellering och experiment. Studier om användning av fluorering för att förbättra stabiliteten har publicerats i Advanced Functional Materials och Avancerade energimaterial; forskning om hur man möjliggör en hög laddningshastighet publicerades nyligen i Nature Energy .

Eftersom DRX kan göras med många olika element, har forskarna också arbetat på vilket element som skulle vara bäst att använda, och träffat den söta punkten att vara riklig, billig och ge bra prestanda. "DRX har nu syntetiserats med nästan hela det periodiska systemet," sa Ceder.

"Detta är vetenskap när den är som bäst - grundläggande upptäckter som kommer att fungera som grunden för system i framtida hem, fordon och nät", säger Noel Bakhtian, chef för Berkeley Labs Energy Storage Center. "Det som har gjort Berkeley Lab så framgångsrikt inom batteriinnovation i årtionden nu är vår kombination av bredd och djup av expertis – från grundläggande upptäckt till karakterisering, syntes och tillverkning, såväl som energimarknader och policyforskning. Samarbete är nyckeln – vi är partner med industrin och bortom för att lösa verkliga problem, vilket i sin tur hjälper till att stimulera den världsledande vetenskapen vi gör på labbet."

Snabb utveckling

Nya batterimaterial har traditionellt tagit 15 till 20 år att kommersialisera; Ceder tror att framsteg inom DRX-material kan påskyndas med ett större team. "Vi har gjort stora framsteg under de senaste tre åren med djupdykningen," sa Ceder. "Vi har kommit fram till att vi är redo för ett större team, så vi kan involvera människor med en mer mångsidig uppsättning färdigheter för att verkligen förfina detta."

Ett utökat forskarlag skulle kunna gå snabbt för att ta itu med de återstående problemen, inklusive att förbättra cykelns livslängd (eller antalet gånger batteriet kan laddas och laddas ur under dess livstid) och optimera elektrolyten, det kemiska mediet som tillåter flödet av elektrisk laddning mellan katoden och anoden. Sedan de utvecklades i Ceders labb har grupper i Europa och Japan också lanserat stora DRX-forskningsprogram.

"Framsteg inom batteriteknologi och energilagring kommer att kräva fortsatta genombrott inom den grundläggande materialvetenskapen", säger Jeff Neaton, Berkeley Labs Associate Lab Director for Energy Sciences. "Berkeley Labs expertis, unika faciliteter och kapacitet inom avancerad bildbehandling, beräkning och syntes gör att vi kan studera material i skalan av atomer och elektroner. Vi är väl rustade att påskynda utvecklingen av lovande material som DRX för ren energi."