Tokom protekle decenije, neuređena kamena so proučavana je kao potencijalni probojni katodni materijal za upotrebu u litijum-jonskim baterijama i ključ za stvaranje jeftinog, visokoenergetskog skladišta za sve, od mobilnih telefona do električnih vozila do skladištenja obnovljive energije.
Nova studija MIT-a osigurava da materijal ispunjava to obećanje.
Predvođen Ju Lijem, profesorom nuklearnog inženjeringa u Tokijskoj elektroenergetskoj kompaniji i profesorom nauke o materijalima i inženjeringa, tim istraživača opisuje novu klasu delimično poremećene katode kamene soli, integrisane sa polianionima – nazvanom neuređena kamena so-polianionska spinel, ili DRKSPS—koji daje visoku gustinu energije pri visokim naponima uz značajno poboljšanu stabilnost ciklusa.
„Obično postoji kompromis u katodnim materijalima između gustine energije i stabilnosti ciklusa… i ovim radom želimo da pomerimo okvir tako što ćemo dizajnirati nove katodne hemije“, kaže Jimeng Huang, postdoktor na Odseku za nuklearne nauke i inženjerstvo i prvi autor rada koji opisuje rad objavljen danas u Nature Energy.
„(Ova) porodica materijala ima visoku gustinu energije i dobru stabilnost ciklusa jer integriše dve glavne vrste katodnih materijala, kamenu so i polianjonski olivin, tako da ima prednosti oba.“
Važno je, dodaje Li, da se nova porodica materijala prvenstveno sastoji od mangana, elementa bogatog zemljom koji je znatno jeftiniji od elemenata poput nikla i kobalta, koji se danas obično koriste u katodama.
„Mangan je najmanje pet puta jeftiniji od nikla i oko 30 puta od kobalta“, kaže Li. „Mangan je takođe jedan od ključeva za postizanje veće gustine energije, tako da je to što je taj materijal mnogo bogatiji zemljom ogromna prednost.
Ta prednost će biti posebno kritična, napisali su Li i njegovi koautori, jer svet želi da izgradi infrastrukturu obnovljive energije potrebnu za budućnost sa niskim sadržajem ugljenika ili bez njega.
Baterije su posebno važan deo te slike, ne samo zbog svog potencijala da dekarboniziraju transport električnim automobilima, autobusima i kamionima, već i zato što će biti od suštinskog značaja za rešavanje problema isprekidanosti energije vetra i sunca skladištenjem viška energije, zatim vraćajući ga u mrežu noću ili u mirnim danima, kada proizvodnja iz obnovljivih izvora opadne.
S obzirom na visoku cenu i relativnu retkost materijala kao što su kobalt i nikl, napisali su, napori za brzo povećanje kapaciteta za skladištenje električne energije verovatno bi doveli do ekstremnih skokova troškova i potencijalno značajne nestašice materijala.
„Ako želimo da imamo istinsku elektrifikaciju proizvodnje energije, transporta i još mnogo toga, potrebne su nam baterije bogate zemljom za skladištenje povremene fotonaponske energije i energije vetra“, kaže Li. „Mislim da je ovo jedan od koraka ka tom snu.
To osećanje deli Gerbrand Ceder, ugledni predsedavajući Samsunga za istraživanje nanonauke i nanotehnologije i profesor nauke o materijalima i inženjeringa na Univerzitetu Kalifornije u Berkliju.
„Litijum-jonske baterije su kritični deo tranzicije čiste energije“, kaže Ceder. „Njihov kontinuirani rast i smanjenje cena zavise od razvoja jeftinih katodnih materijala visokih performansi napravljenih od materijala bogatih zemljom, kao što je predstavljeno u ovom radu.“
Nova studija se bavi jednim od glavnih izazova sa kojima se suočavaju neuređene katode kamene soli – pokretljivost kiseonika.
Iako su materijali odavno prepoznati po tome što nude veoma visok kapacitet – čak 350 miliamper-časa po gramu – u poređenju sa tradicionalnim katodnim materijalima, koji obično imaju kapacitet između 190 i 200 miliamper-časa po gramu, oni nisu baš stabilni. .
Visokom kapacitetu delimično doprinosi redoks kiseonika, koji se aktivira kada se katoda napuni do visokog napona. Ali kada se to dogodi, kiseonik postaje pokretljiv, što dovodi do reakcija sa elektrolitom i degradacije materijala, ostavljajući ga na kraju beskorisnim nakon dužeg ciklusa.
Da bi prevazišao te izazove, Huang je dodao još jedan element – fosfor – koji u suštini deluje kao lepak, držeći kiseonik na mestu da bi ublažio degradaciju.
„Glavna inovacija ovde i teorija koja stoji iza dizajna je da je Jimeng dodao tačnu količinu fosfora, koji je formirao takozvane polianione sa susednim atomima kiseonika, u strukturu kamene soli sa nedostatkom katjona koja ih može pričvrstiti, “ objašnjava Li.
„To nam omogućava da u osnovi zaustavimo transport kiseonika koji se perkolira zbog jake kovalentne veze između fosfora i kiseonika… što znači da oboje možemo da iskoristimo kapacitet koji doprinosi kiseoniku, ali i da imamo dobru stabilnost.“
Ta sposobnost punjenja baterija na više napone, kaže Li, je ključna jer omogućava jednostavnijim sistemima da upravljaju energijom koju skladište.
„Možete reći da je kvalitet energije veći“, kaže on. „Što je veći napon po ćeliji, to je manje potrebno da ih serijski povežete u bateriju, a sistem upravljanja baterijom je jednostavniji.“
Iako bi katodni materijal opisan u studiji mogao imati transformativni uticaj na tehnologiju litijum-jonskih baterija, još uvek postoji nekoliko načina za proučavanje u budućnosti.
Među oblastima za buduća proučavanja, Huang kaže, su napori da se istraže novi načini za proizvodnju materijala, posebno u pogledu morfologije i skalabilnosti.
„Trenutno koristimo visokoenergetsko mlevenje kuglica za mehanohemijsku sintezu, i … rezultirajuća morfologija je neujednačena i ima malu prosečnu veličinu čestica (oko 150 nanometara). Ovaj metod takođe nije sasvim prilagodljiv“, kaže on.
„Pokušavamo da postignemo ujednačeniju morfologiju sa većim veličinama čestica koristeći neke alternativne metode sinteze, što bi nam omogućilo da povećamo zapreminsku gustinu energije materijala i moglo bi nam omogućiti da istražimo neke metode premaza … koje bi mogle dodatno poboljšati performanse baterije Buduće metode, naravno, treba da budu industrijski skalabilne.“
Pored toga, kaže on, neuređeni materijal kamene soli sam po sebi nije naročito dobar provodnik, pa su dodate značajne količine ugljenika – čak 20 težinskih procenata katodne paste – da bi se povećala njegova provodljivost. Ako tim može da smanji sadržaj ugljenika u elektrodi bez žrtvovanja performansi, postojaće veći sadržaj aktivnog materijala u bateriji, što će dovesti do povećane praktične gustine energije.
„U ovom radu smo upravo koristili Super P, tipičan provodni ugljenik koji se sastoji od nanosfera, ali oni nisu baš efikasni“, kaže Huang. „Sada istražujemo korišćenje ugljeničnih nanocevi, koje bi mogle smanjiti sadržaj ugljenika na samo 1 ili 2 težinska procenta, što bi nam moglo omogućiti da dramatično povećamo količinu aktivnog katodnog materijala.
Osim smanjenja sadržaja ugljenika, pravljenje debelih elektroda, dodaje on, predstavlja još jedan način da se poveća praktična gustina energije baterije. Ovo je još jedna oblast istraživanja na kojoj tim radi.
„Ovo je samo početak DRKSPS istraživanja, pošto smo istražili samo nekoliko hemija unutar njegovog ogromnog kompozicionog prostora“, nastavlja on. „Možemo se igrati sa različitim odnosima litijuma, mangana, fosfora i kiseonika, i sa raznim kombinacijama drugih elemenata koji formiraju polianion, kao što su bor, silicijum i sumpor.
Sa optimizovanim sastavima, skalabilnijim metodama sinteze, boljom morfologijom koja omogućava ujednačene prevlake, manji sadržaj ugljenika i deblje elektrode, kaže on, porodica katoda DRKSPS je veoma obećavajuća u primenama električnih vozila i skladištenja u mreži, a možda čak i u potrošačkoj elektronici , gde je zapreminska gustina energije veoma važna.
