Исследование показывает, что создание высокоэффективных катодов без кобальта возможно

Прочитано: 108 раз(а)


Литий-ионные аккумуляторы, аккумуляторы на основе ионов лития, в настоящее время используются для питания широкого спектра электронных устройств, начиная от смартфонов и заканчивая портативными компьютерами, игрушками, беспроводными наушниками и электромобилями. Несмотря на их замечательные характеристики, эти батареи изготавливаются с использованием неустойчивого и дорогого сырья.

Наиболее заметным среди этих материалов является кобальт (Co), который используется для создания слоистых катодов для литий-ионных аккумуляторов. Из-за недавнего всплеска спроса на электромобили кобальт быстро становится дефицитным на Земле, в том числе из-за растущего спроса со стороны технологической и электронной промышленности.

Исследователи из Университета Ханьян и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории недавно продемонстрировали, что создание высокоэффективных слоистых катодов без использования Co действительно возможно. Их статья, опубликованная в журнале Nature Energy , может в конечном итоге способствовать разработке более устойчивых и доступных решений для литий-ионных аккумуляторов.

«Профессор Сан и я вместе работали над катодными материалами в течение последних 20 лет», — сказал TechXplore профессор Чонг С. Юн, один из исследователей, проводивших исследование. «В связи с растущим истощением запасов кобальта и неопределенностью его поставок мы осознали, что становится все более необходимым исключить кобальт из многослойных катодов с высоким содержанием никеля (NCA или NCM), используемых в электромобилях».

До сих пор устранение кобальта из слоистых катодов для литий-ионных аккумуляторов оказалось чрезвычайно сложной задачей. Это связано с тем, что даже небольшое количество этого материала может значительно улучшить структурную стабильность катодов, что, в свою очередь, ускоряет так называемую кинетику интеркаляции лития. Это важный химический процесс, который в конечном итоге обеспечивает высокую производительность аккумуляторов. Чтобы преодолеть это ограничение, некоторые исследователи изучали возможности катода из Li(Ni x Mn 1-x )O 2 ; возможно, самая простая безкатодная композиция.

«Li(Ni 0,5 Mn 0,5 )O 2 — это хорошо изученный катод, не содержащий кобальта, со стабильной стабильностью при циклировании, но его емкость недостаточна для современных электромобилей», — сказал Юн. «Были попытки увеличить содержание Ni в Li(Ni 0,5 Mn 0,5 )O 2 для увеличения его емкости, но проблема емкости осталась нерешенной. Без Со трудно извлечь Li из структуры-хозяина».

Чтобы преодолеть проблемы, возникшие во время предыдущих попыток создания высокоэффективных катодов Li(Ni 0,5 Mn 0,5 )O 2 , Юн и его коллеги увеличили рабочее напряжение своих катодов с 4,3 В до 4,4 В. Это позволило им извлечь большую долю Li. из Li(Ni 0,9 Mn 0,1 )O 2 , что одновременно увеличило плотность энергии и удельную мощность при максимальном рабочем напряжении батарей. Чтобы их литий-ионный аккумулятор оставался стабильным при напряжении 4,4 В (самое высокое рабочее напряжение), команде пришлось заново разработать микроструктуру катода и электролита аккумуляторов.

«Из нашего опыта мы знали, что введение легирующих примесей с высокими степенями окисления (Mo, W, Sb, Ta и т. д.) уменьшает размер первичных частиц и стабилизирует делитированную структуру хозяина», — сказал Юн. «Мы использовали эвристический подход, основанный на нашем прошлом опыте, чтобы определить, что легирование катода Li(Ni 0,9 Mn 0,1 )O 2 1 мол.% Мо дает наилучшие характеристики. 4,4 В и защитить поверхность катода от воздействия электролита 1 мол.% Mo—Li(Ni 0,9 Mn 0,1 )O 21000 циклов при сохранении 86% начальной емкости, что более чем достаточно для обеспечения срока службы батареи, указанного производителем электромобиля».

Основная трудность, с которой Юн и его коллеги столкнулись при попытке использовать катод с 1 мол. % Mo-Li(Ni 0,9 Mn 0,1 )O 2 при напряжении 4,4 В, заключалась в снижении емкости при длительном циклировании (т. аккумуляторные батареи на основе никелевых слоистых катодов). Чтобы гарантировать, что их батарея имеет достаточный срок службы для питания устройств в течение разумного периода времени, они сначала должны были решить эту проблему снижения емкости.

«Исключительная стабильность при циклировании 1 мол. % Mo-Li(Ni 0,9 Mn 0,1 )O 2 при 4,4 В в значительной степени обусловлена ​​измельчением размера зерен и упорядочением катионов», — объяснил Юн. «Ионы Mo 6+ имеют тенденцию к сегрегации вдоль границ между частицами и препятствуют росту зерен во время высокотемпературной термообработки, которая необходима для преобразования предшественника гидроксида в Li(Ni 0,9 Mn 0,1 )O 2 . Границы зерен в этом катоде с ультратонкой структурой увеличивают разрушение ударная вязкость за счет отклонения трещин, возникающих в результате резкого сжатия решетки вблизи конца заряда».

Границы зерен в катоде исследователей также могут служить путями быстрой диффузии для Li + , которые устраняют локальные неоднородности, обусловленные их составом, и подавляют внутризеренные трещины. Внедрив Mo 6+ , команда смогла расположить катионы в своем катоде определенным образом (т. е. смешать ионы Li и Ni). Эта уникальная конструкция стабилизирует структуру катода, когда он наиболее уязвим из-за неравномерного извлечения ионов Li + .

«Наши результаты показывают, что разработка высокопроизводительного многослойного катода, не содержащего Co, больше не является недостижимой целью», — сказал Юн. «Предложенный 1 мол.% Mo-Li(Ni 0,9 Mn 0,1 )O 2 катод, циклически работающий при высоком напряжении, является экономически выгодным решением, достижимым при существующей технологии производства. Li + из основной структуры, эта работа предлагает критерий дизайна материала для выбора третичного легирующего элемента для обеспечения структурной и механической долговечности слоистых катодов, не содержащих Co».

Конструкция и состав катода, предложенные Юном и его коллегами, могут стать ориентиром для будущих исследований, направленных на улучшение общих характеристик слоистых катодов с высоким содержанием никеля. Кроме того, их работа может проложить путь к созданию высокоэффективных технологий аккумуляторов без Co, которые могут быть более устойчивыми и доступными, чем их аналоги на основе Co.

«Для высокопроизводительных электромобилей с большим запасом хода и повышенной безопасностью литий-ионные аккумуляторы следующего поколения, вероятно, будут полностью твердотельными батареями (ASSB) с катодами, богатыми никелем и не содержащими Co», — добавил Юн. «В настоящее время мы изучаем возможность применения предлагаемого катода без кобальта в ASSB».

Исследование показывает, что создание высокоэффективных катодов без кобальта возможно



Новости партнеров