Что, если бы ключевым компонентом аккумуляторов электромобилей был обычный элемент, а не дефицитные и дорогие? Коллаборация, возглавляемая исследователем-химиком из Университета штата Орегон, надеется спровоцировать революцию в области зеленых аккумуляторов, показав, что железо вместо кобальта и никеля может использоваться в качестве катодного материала в литий-ионных батареях.

Результаты , опубликованные в журнале Science Advances , важны по нескольким причинам, отмечает Сюлей «Дэвид» Цзи из штата Орегон.

«Мы изменили реакционную способность металлического железа , самого дешевого металлического товара», — сказал он. «Наш электрод может обеспечить более высокую плотность энергии, чем современные катодные материалы в электромобилях. А поскольку мы используем железо, стоимость которого может составлять менее доллара за килограмм, — небольшую долю никеля и кобальта, которые незаменимы в современных литий-ионных батареях высокой энергии — стоимость наших батарей потенциально намного ниже».

По словам Цзи, в настоящее время катод составляет 50% стоимости изготовления литий-ионного аккумулятора. Помимо экономики, катоды на основе железа обеспечат большую безопасность и устойчивость, добавил он.

Поскольку для электрификации транспортного сектора производится все больше и больше литий-ионных аккумуляторов , мировой спрос на никель и кобальт резко возрос. Цзи отмечает, что через пару десятилетий прогнозируемый дефицит никеля и кобальта затормозит производство аккумуляторов, как это происходит сейчас.

Кроме того, плотность энергии этих элементов уже увеличена до максимального уровня — если бы ее увеличить, кислород, выделяющийся во время зарядки, мог бы привести к возгоранию батарей — плюс кобальт токсичен, а это означает, что он может загрязнить экосистемы и источники воды, если он вымывается. свалок.

Сложите все это вместе, сказал Джи, и легко понять глобальный поиск новых, более устойчивых химических элементов для аккумуляторов.

Аккумулятор хранит энергию в виде химической энергии и посредством реакций преобразует ее в электрическую энергию, необходимую для питания транспортных средств, а также мобильных телефонов, ноутбуков и многих других устройств и машин. Существует несколько типов батарей, но большинство из них работают одинаково и содержат одни и те же основные компоненты.

Аккумулятор состоит из двух электродов — анода и катода, обычно изготовленных из разных материалов, — а также сепаратора и электролита — химической среды, обеспечивающей поток электрического заряда. Во время разряда батареи электроны перетекают из анода во внешнюю цепь, а затем собираются на катоде.

В литий-ионной батарее, как следует из названия, заряд передается через ионы лития, когда они перемещаются через электролит от анода к катоду во время разрядки и обратно во время перезарядки.

«Наш катод на основе железа не будет ограничен нехваткой ресурсов», — сказал Цзи, пояснив, что железо, помимо того, что оно является наиболее распространенным элементом на Земле по массе, является четвертым по распространенности элементом в земной коре. . «У нас не закончится железо, пока Солнце не превратится в красного гиганта».

Джи и его коллеги из нескольких университетов и национальных лабораторий увеличили реакционную способность железа в своем катоде, разработав химическую среду на основе смеси анионов фтора и фосфата — ионов, которые заряжены отрицательно.

Смесь, тщательно перемешанная в виде твердого раствора, позволяет осуществить обратимое преобразование — то есть батарею можно перезаряжать — мелкодисперсной смеси железного порошка, фторида лития и фосфата лития в соли железа.

«Мы продемонстрировали, что дизайн материалов с анионами может преодолеть потолок плотности энергии для батарей, которые являются более экологичными и стоят дешевле», — сказал Цзи.

«Мы не используем более дорогую соль в сочетании с железом — только те, которые используются в аккумуляторной промышленности, а затем железный порошок. Чтобы использовать этот новый катод в приложениях, больше ничего не нужно менять — ни новых анодов, ни нового производства. линий, никакой новой конструкции батареи. Мы просто заменяем одну вещь — катод».

По словам Цзи, эффективность хранения данных все еще нуждается в повышении. В настоящее время не вся электроэнергия, поступившая в батарею во время зарядки, доступна для использования после разрядки. Когда эти улучшения будут сделаны, а Джи ожидает, что они будут, результатом станет батарея, которая будет работать намного лучше, чем те, которые используются в настоящее время, но при этом будет стоить меньше и быть более экологичной.

«Если в эту технологию есть инвестиции, то ее коммерчески доступность не займет много времени», — сказал Цзи. «Нам нужны провидцы отрасли, чтобы выделить ресурсы в эту развивающуюся область. В мире может быть катодная промышленность, основанная на металле, который почти бесплатен по сравнению с кобальтом и никелем. И хотя вам придется очень много работать, чтобы переработать кобальт и никель, вам даже не придется перерабатывать железо — оно просто превратится в ржавчину, если вы его отпустите».

Исследование проводилось под руководством Тонгчао Лю из Аргоннской национальной лаборатории, в нем приняли участие Минлян Ю из штата Орегон, Мин Су Юнг и Шон Сандстром.

Внесли свой вклад ученые из Университета Вандербильта, Стэнфордского университета, Университета Мэриленда, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Национальной ускорительной лаборатории SLAC.