Теперь, после нескольких лет исследований, проводимых Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab), ученые добились значительного прогресса в разработке катодов батарей с использованием нового класса материалов, которые обеспечивают батареи с такой же, если не более высокой плотностью энергии, чем обычные литий-ионные батареи. но может быть изготовлен из недорогих и распространенных металлов. Это новое семейство материалов, известное как DRX, что означает неупорядоченные каменные соли с избытком лития, было изобретено менее 10 лет назад и позволяет изготавливать катоды без никеля или кобальта.
«Классический литий-ионный аккумулятор сослужил нам хорошую службу, но, поскольку мы рассматриваем будущие потребности в хранении энергии, его зависимость от определенных важнейших минералов подвергает нас не только рискам цепочки поставок, но и экологическим и социальным проблемам», – сказал Рави Прашер. Заместитель директора лаборатории Berkeley Lab по энергетическим технологиям. «Благодаря материалам DRX литиевые батареи могут стать основой для экологически безопасных аккумуляторных технологий будущего."
Катод – один из двух электродов в батарее, и на него приходится более одной трети стоимости батареи. В настоящее время в катоде литий-ионных аккумуляторов используется класс материалов, известный как NMC, с никелем, марганцем и кобальтом в качестве ключевых ингредиентов.
«Я проводил катодные исследования более 20 лет в поисках новых материалов, и DRX – лучший новый материал, который я когда-либо видел», – сказал Гербранд Седер, ученый из лаборатории Беркли, занимающийся аккумуляторными батареями, который является одним из руководителей исследования. «С текущим классом NMC, который ограничен только никелем, кобальтом и неактивным компонентом, изготовленным из марганца, классическая литий-ионная батарея находится в конце своей кривой производительности, если вы не перейдете на новые катодные материалы, а это то, что Программа DRX предлагает. Материалы DRX обладают огромной композиционной гибкостью – и это очень мощно, потому что вы не только можете использовать все виды металлов в большом количестве в катоде DRX, но вы также можете использовать любой тип металла для решения любой проблемы, которая может возникнуть на ранних стадиях. разработки новых батарей. Вот почему мы так взволнованы."
Риски цепочки поставок кобальта и никеля
U.S. Министерство энергетики (DOE) сделало своим приоритетом поиск способов сокращения или отказа от использования кобальта в батареях. «Индустрия аккумуляторов сталкивается с огромным дефицитом ресурсов», – сказал Седер. «Даже при 2 ТВт-ч, нижнем диапазоне прогнозов глобального спроса, на который будет израсходована почти вся сегодняшняя добыча никеля, а с кобальтом мы даже близко не приблизились. Производство кобальта сегодня составляет всего около 150 килотонн, а для 2 ТВтч энергии батареи потребуется 2000 килотонн никеля и кобальта в некоторой комбинации."
Более того, более двух третей мирового производства никеля в настоящее время используется для производства нержавеющей стали.
Более половины мирового производства кобальта приходится на Демократическую Республику Конго, при этом Россия, Австралия, Филиппины и Куба замыкают пятерку крупнейших производителей кобальта.
Напротив, катоды DRX могут использовать практически любой металл вместо никеля и кобальта.
Ученые из лаборатории Беркли сосредоточились на использовании марганца и титана, которых больше и дешевле, чем никель и кобальт.
«Оксид марганца и оксид титана стоят менее 1 доллара за килограмм, тогда как кобальт стоит около 45 долларов за килограмм, а никель – около 18 долларов», – сказал Седер. «С DRX у вас есть возможность сделать очень недорогое хранилище энергии. В этот момент литий-ионные аккумуляторы становятся непревзойденными и могут использоваться повсюду – в транспортных средствах, в электросети – и мы действительно можем сделать накопление энергии доступным и недорогим."
Заказано против. беспорядочный
Седер и его команда разработали материалы DRX в 2014 году. В батареях количество и скорость ионов лития, которые могут попасть в катод, определяют количество энергии и мощности, которые имеет батарея. В обычных катодах ионы лития проходят через материал катода по четко определенным путям и располагаются между атомами переходных металлов (обычно кобальта и никеля) в аккуратных упорядоченных слоях.
Группа Седера обнаружила, что катод с неупорядоченной атомной структурой может содержать больше лития – а это означает больше энергии – при этом более широкий спектр элементов может служить переходным металлом. Они также узнали, что в этом хаосе ионы лития могут легко прыгать.
В 2018 году Управление автомобильных технологий Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США выделило средства для лаборатории Беркли, чтобы они смогли «глубоко погрузиться» в материалы DRX. В сотрудничестве с учеными из Национальной лаборатории Ок-Ридж, Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре команды лаборатории Беркли во главе с Седером и Гоин Ченом добились огромного прогресса в оптимизации катодов DRX в литий-ионных батареях.
Например, скорость заряда – или скорость зарядки аккумулятора – этих материалов изначально была очень низкой, а стабильность также была плохой. Исследовательская группа нашла способы решить обе эти проблемы с помощью моделирования и экспериментов.
Исследования по использованию фторирования для улучшения стабильности были опубликованы в журналах Advanced Functional Materials и Advanced Energy Materials; исследование о том, как обеспечить высокую скорость зарядки, было недавно опубликовано в Nature Energy.
Поскольку DRX может состоять из множества различных элементов, исследователи также работали над тем, какой элемент лучше всего использовать, находя золотую середину, будучи обильным, недорогим и обеспечивающим хорошую производительность. «DRX теперь синтезирован почти со всей таблицей Менделеева», – сказал Седер.
«Это наука в лучшем виде – фундаментальные открытия, которые станут основой систем в будущих домах, транспортных средствах и электросетях», – сказал Ноэль Бахтиан, директор Центра хранения энергии Berkeley Lab. «Что сделало Berkeley Lab столь успешным в области инноваций в аккумуляторных батареях вот уже несколько десятилетий, так это сочетание широты и глубины знаний – от фундаментальных открытий до определения характеристик, синтеза и производства, а также энергетических рынков и политических исследований. Сотрудничество является ключевым моментом – мы сотрудничаем с промышленностью и не только для решения реальных проблем, что, в свою очередь, помогает стимулировать ведущие мировые научные исследования, которые мы делаем в лаборатории."
Быстрый прогресс
На коммерциализацию новых материалов для аккумуляторов традиционно уходило от 15 до 20 лет; Седер считает, что прогресс в области материалов DRX можно ускорить с помощью более крупной команды. «За последние три года мы добились большого прогресса в глубоком погружении», – сказал Седер. "Мы пришли к выводу, что готовы к работе в более крупной команде, поэтому мы можем привлекать людей с более разнообразным набором навыков, чтобы действительно улучшить это."
Расширенная исследовательская группа могла бы быстро перейти к решению остающихся проблем, включая увеличение срока службы (или количества раз, когда аккумулятор можно заряжать и разряжать в течение срока его службы) и оптимизацию электролита, химической среды, которая обеспечивает прохождение электрического заряда. между катодом и анодом. С момента разработки в лаборатории Седера группы в Европе и Японии также запустили крупные исследовательские программы DRX.
«Достижения в аккумуляторных технологиях и хранении энергии потребуют постоянных достижений в фундаментальной науке о материалах», – сказал Джефф Нитон, заместитель директора лаборатории Berkeley Lab по энергетическим наукам. «Опыт лаборатории Беркли, уникальное оборудование и возможности в области передовых изображений, вычислений и синтеза позволяют нам изучать материалы в масштабе атомов и электронов. Мы готовы ускорить разработку перспективных материалов, таких как DRX, для чистой энергии."