Seit Jahrzehnten suchen Forscher nach Möglichkeiten, Kobalt aus den Hochenergiebatterien, die elektronische Geräte antreiben, aufgrund seiner hohen Kosten und der menschenrechtlichen Auswirkungen des Bergbaus zu entfernen. Bisherige Versuche haben jedoch die Leistungsstandards von Batterien mit Kobalt nicht erfüllt.
Forscher der Cockrell School of Engineering an der University of Texas in Austin sagen, sie hätten den Code in eine kobaltfreie Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterie geknackt. Dabei sei es ihnen gelungen, das Kobalt zu eliminieren und die Tür zu öffnen, um die Kosten für die Herstellung von Batterien zu senken und gleichzeitig die Kosten zu steigern Leistung in gewisser Weise. Das Team berichtete über eine neue Klasse von Kathoden. Die Elektrode in einer Batterie, in der sich normalerweise das gesamte Kobalt befindet -, die durch einen hohen Nickelgehalt verankert ist. Die Kathode in ihrer Studie besteht zu 89% aus Nickel. Mangan und Aluminium bilden die anderen Schlüsselelemente.
Mehr Nickel in einer Batterie bedeutet, dass sie mehr Energie speichern kann. Diese erhöhte Energiedichte kann mit jeder Ladung zu einer längeren Akkulaufzeit für ein Telefon oder einer größeren Reichweite für ein Elektrofahrzeug führen.
Die Ergebnisse wurden diesen Monat in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht. Das Papier wurde von Arumugam Manthiram geschrieben, Professor an der Walker-Abteilung für Maschinenbau und Direktor des Texas Materials Institute, Ph.D. Student Steven Lee und Ph.D. Absolvent Wangda Li.
Keine Kompromisse mehr Beim Bau von Autobatterien
In der Regel führt eine erhöhte Energiedichte zu Kompromissen. Wie z. B. einer kürzeren Lebensdauer – die Häufigkeit, mit der ein Akku geladen und entladen werden kann, bevor er an Effizienz verliert und nicht mehr vollständig aufgeladen werden kann. Das Eliminieren von Kobalt verlangsamt normalerweise die kinetische Reaktion einer Batterie und führt zu einer geringeren Ratenfähigkeit. Diese Ratenfähigkeit bedeutet wie schnell die Kathode geladen oder entladen werden kann. Die Forscher sagten jedoch, dass sie die Probleme mit der kurzen Zykluslebensdauer und der schlechten Geschwindigkeitsfähigkeit überwunden haben. wie? Indem sie eine optimale Kombination von Metallen gefunden und eine gleichmäßige Verteilung ihrer Ionen sichergestellt haben.
Die meisten Kathoden für Lithium-Ionen-Batterien verwenden Kombinationen von Metallionen wie Nickel-Mangan-Kobalt (NMC) oder Nickel-Kobalt-Aluminium (NCA). Kathoden können ungefähr die Hälfte der Materialkosten für die gesamte Batterie ausmachen. Dabei ist Kobalt das teuerste Element. Mit einem Preis von ungefähr 24.200 Euro pro Tonne ist es teurer als Nickel, Mangan und Aluminium zusammen und macht 10% bis 30% der meisten Lithium-Ionen-Batteriekathoden aus.
„Kobalt ist die am wenigsten verbreitete und teuerste Komponente in Batteriekathoden“, sagte Manthiram. „Und wir beseitigen es vollständig.“
Elektroauto-Batterie bald ohne Kobald?
Der Schlüssel zum Durchbruch der Forscher liegt auf atomarer Ebene. Während der Synthese konnten sie sicherstellen, dass die Ionen der verschiedenen Metalle gleichmäßig über die Kristallstruktur in der Kathode verteilt blieben. Wenn sich diese Ionen zusammenballen, verschlechtert sich die Leistung und dieses Problem hat frühere kobaltfreie Hochenergiebatterien geplagt, sagte Manthiram. Durch die gleichmäßige Verteilung der Ionen konnten die Forscher Leistungsverluste vermeiden.
„Unser Ziel ist es, nur reichlich vorhandene und erschwingliche Metalle zu verwenden, um Kobalt zu ersetzen und gleichzeitig die Leistung und Sicherheit zu gewährleisten“, sagte Li, „und industrielle Syntheseverfahren zu nutzen, die sofort skalierbar sind.“
Manthiram, Li und der ehemalige Postdoktorand Evan Erickson arbeiteten mit dem Office of Technology Commercialization von UT zusammen, um ein Startup namens TexPower zu gründen, um die Technologie auf den Markt zu bringen. Die Forscher haben Zuschüsse vom US-Energieministerium erhalten, das versucht hat, die Abhängigkeit von Importen für wichtige Batteriematerialien zu verringern.
Die Industrie hat den kobaltfreien Schub vorangetrieben – vor allem die Bemühungen von Tesla, das Material aus den Batterien zu entfernen, die die Elektrofahrzeuge antreiben. Angesichts der Tatsache, dass große Regierungsorganisationen und private Unternehmen sich darauf konzentrieren, die Abhängigkeit von Kobalt zu verringern, ist es keine Überraschung, dass dieses Streben wettbewerbsfähig geworden ist. Die Forscher sagten, sie hätten Probleme vermieden, die andere Versuche von kobaltfreien Hochenergiebatterien behinderten, mit Innovationen bei der richtigen Materialkombination und der präzisen Kontrolle ihrer Verteilung.
„Wir erhöhen die Energiedichte und senken die Kosten, ohne die Lebensdauer des Zyklus zu beeinträchtigen“, sagte Manthiram. „Dies bedeutet längere Fahrstrecken für Elektrofahrzeuge und eine längere Akkulaufzeit für Laptops und Mobiltelefone.“
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