Novi dizajn litij-baterija eliminira skupe kobalt i nikal

Nova katoda i elektrolit ključni su za uklanjanje ovih sve manje rijetkih metala u litijskim baterijama.

Litij-ionske baterije stekle su popularnost u posljednjem desetljeću na temelju veće snage i male veličine. Ali njihova popularnost opterećuje svjetsku opskrbu kobaltom i niklom, dva metala koja se koriste u litijskim baterijama. Kao rezultat toga, cijene tih metala naglo su porasle.

Da bi razvili alternativni dizajn baterija na bazi litija s manje oslanjanja na one rijetke metale, istraživači s Georgia Institute of Technology proučavali su novu katodu i elektrolite kako bi zamijenili skupe metale i tradicionalni tekući elektrolit s nižim troškovima fluorida prijelaznog metala i krute tvari polimernog elektrolita.

“Elektrode izrađene od fluorida prijelaznog metala odavno pokazuju probleme sa stabilnošću i brzi neuspjeh, što dovodi do značajne sumnje prema njihovoj sposobnosti korištenja u baterijama nove generacije”, kaže Gleb Yushin, profesor u Georgia Tech’s School of Science and Engineering. “Ali pokazali smo da metalni fluoridi, kada se koriste s čvrstim polimernim elektrolitom, pokazuju izuzetnu stabilnost, čak i na višim temperaturama, što može dovesti do sigurnijih, lakših i jeftinijih litij-ionskih baterija.”

U tipičnim litij-ionskim baterijama energija se oslobađa tijekom prijenosa litijevih iona između anode i katode, pri čemu se katoda obično sastoji od litija i prijelaznih metala poput kobalta, nikla i mangana. Ioni teku između elektroda kroz tekući elektrolit.

Istraživači s Georgia Tech-a proizveli su novu vrstu katode iz željeznog fluorida i čvrstog polimernog elektrolita nanokompozita. Fluoridi željeza imaju više od dvostrukog litijevog kapaciteta tradicionalnih katoda na bazi kobalta ili nikla. Pored toga, željezo je 1/300 troška kobalta, i 1/150 troška nikla.

Da bi proizveli takvu katodu, istraživači su umetnuli čvrsti polimerni elektrolit u montažnu elektrodu željeznog fluorida. Oni su vrućim pritiskom na cijelu strukturu povećali gustoću i uklonili praznine.

Elektrolit na bazi polimera je fleksibilan, tako da može prihvatiti oticanje željeznog fluorida tijekom ciklusa i stvara stabilnu i fleksibilnu interfazu s fluoridom željeza. Tradicionalno, oteklina i nuspojave bili su ključni problemi kada se koristi željezni fluorid u baterijama.

“Katode napravljene od fluorida željeza imaju ogroman potencijal zbog velikog kapaciteta, niskih materijalnih troškova i široke dostupnosti željeza”, kaže Yushin. „Ali promjene u volumenu tijekom ciklusa, kao i parazitske nuspojave s tekućim elektrolitima i druga pitanja degradacije, ranije su ograničila njihovu upotrebu. Korištenje čvrstog elektrolita s elastičnim svojstvima rješava mnoge od tih problema. “

Potom su istraživači testirali nekoliko varijacija novih čvrstih baterija kako bi analizirali njihove performanse tijekom više od 300 ciklusa punjenja i pražnjenja pri temperaturi od 50 ° C. Otkrili su da su nove baterije nadmašile prethodne dizajne koristeći metalni fluorid čak i kad su one održavane hladnim na sobnoj temperaturi.

Istraživači su utvrdili da je ključ boljih performansi baterije bio čvrsti polimerni elektrolit. U prijašnjim pokušajima upotrebe metalnih fluorida, vjerovalo se da se metalni ioni pomiču na površini katode da bi se na kraju rastopili u tekućem elektrolitu, uzrokujući gubitak kapaciteta, posebno na povišenim temperaturama. Pored toga, metalni fluoridi katalizirali su brzo raspadanje tekućih elektrolita kada su stanice djelovale iznad 38 ° C. Međutim, na vezi između čvrstog elektrolita i katode, kruti elektrolit ostaje stabilan, sprječavajući otapanje elektrolita.

“Polimerni elektrolit koji smo koristili bio je uobičajen, ali mnogi drugi kruti elektroliti i druge arhitekture baterija ili elektroda, poput morfologija čestica jezgre, trebaju biti u stanju dramatično ublažiti ili čak u potpunosti spriječiti parazitske nuspojave i postići stabilne performansne karakteristike”, kaže Kostiantyn Turcheniuk, znanstvenik u Yushinovom laboratoriju.

U budućnosti, istraživači imaju za cilj razviti nove i poboljšane krute elektrolite kako bi se omogućilo brzo punjenje i kombinirali kruti i tekući elektroliti u nove dizajne, potpuno kompatibilne s uobičajenom proizvodnjom ćelija koja se koristi u velikim tvornicama baterija.