В настоящее время большинство катодных материалов, используемых в батареях для электромобилей, представляют собой слоистые оксиды, состоящие из более чем 60% переходных металлов из никеля. Использование слоистого оксида с высоким содержанием никеля выгодно для определения пробега электромобиля из-за его высокой плотности энергии, но его использование ограничено нестабильностью спроса и предложения никелевого сырья.
В качестве альтернативы исследователи сосредоточились на катодных материалах из шпинели , в которых в качестве основного элемента используется марганец, учитывая, что марганец продается по цене примерно 1/17 никеля на международном спотовом рынке; однако быстрое сокращение продолжительности жизни было препятствием для коммерциализации.
Корейский институт науки и технологий объявил, что исследовательская группа д-ра Джихюн Хонга из Исследовательского центра энергетических материалов определила причину быстрого сокращения срока службы, хроническую проблему высокопроизводительных катодных материалов на основе марганцевой шпинели. Эта команда работала над значительным увеличением возможности коммерциализации литиевых батарей с марганцевыми катодными материалами в качестве аккумуляторов для электромобилей следующего поколения. Их результаты опубликованы в журнале Advanced Energy Materials, и статья была напечатана на его обложке.
Катодные материалы из шпинели на основе марганца теоретически могут накапливать энергию с высокой плотностью, сравнимой с коммерческими катодными материалами на основе никеля. Учитывая цену металлического сырья , плотность энергии на цену катода на основе марганцевой шпинели может достигать 2,8 раза по сравнению с катодами на основе никеля. Однако при использовании батареи на полную мощность происходило быстрое сокращение срока службы; в результате можно было сохранить только приблизительно 75% теоретического значения.
Установлено, что трехвалентный марганец (Mn 3 + ), образующийся в процессе зарядки и разрядки катодных материалов на основе марганцевой шпинели, искажает кристаллическую структуру материала, приводя к вымыванию марганца в электролит и в конечном итоге вызывая восстановление срок службы катодного материала. В результате большинство исследований было сосредоточено на подавлении образования трехвалентного марганца.
Вопреки господствующим академическим теориям, группа доктора Хонга из KIST недавно обнаружила, что катодные материалы обладают превосходными характеристиками продолжительности жизни, даже когда образуется трехвалентный марганец, если диапазон рабочего напряжения батареи отрегулирован. Исследовательская группа использовала передовые методы характеристики материалов, в том числе методы синхротронного излучения, для интерпретации явлений, которые не могут объяснить существующие теории. Анализы показали, что побочная реакция на границе между материалом катода и электролитом во время повторяющихся процессов зарядки и разрядки является причиной сокращения срока службы.
Исследовательская группа также представила ключевую стратегию по значительному увеличению срока службы материалов на основе марганца за счет стабилизации поверхности раздела катод-электролит. В качестве примера этой стратегии введение электролита, не содержащего ЭК, привело к увеличению срока службы на 62% по сравнению с коммерческими электролитами. Это улучшение приводит к максимальному сохранению емкости и скорости среди характеристик катодных материалов на основе марганца-шпинели одновременно с использованием окислительно-восстановительных реакций никеля и марганца, о которых сообщалось до сих пор.
Доктор Хонг из KIST сказал: «Благодаря этому исследованию KIST представил новую методологию коммерциализации высокоэнергетических катодных материалов на основе марганца, которые станут катализатором расширения электромобилей. Если академические круги и промышленность сосредоточатся на применении стабилизации интерфейса технологии катодных материалов на основе никеля, которая накопила много возможностей, до катодных материалов нового поколения на основе марганца , мы ожидаем, что корейские компании в автомобильной промышленности смогут поддерживать более высокий уровень конкурентоспособности в будущем».
