Publié à l'origine sur la Cockrell School of Engineering de l'Université du Texas à Austin
AUSTIN, Texas – Pendant des décennies, les chercheurs ont cherché des moyens d'éliminer le cobalt des batteries à haute énergie qui alimentent les appareils électroniques, en raison de son coût élevé et des ramifications de son exploitation sur les droits de l'homme. Mais les tentatives passées n'ont pas été à la hauteur des normes de performance des batteries au cobalt.
Image reproduite avec l'aimable autorisation de UT News, Université du Texas à Austin, Ces échantillons de poudre seront fabriqués pour devenir la cathode sans cobalt.
Des chercheurs de la Cockrell School of Engineering de l'Université du Texas à Austin affirment avoir déchiffré le code d'une batterie lithium-ion à haute énergie sans cobalt, éliminant le cobalt et ouvrant la porte à la réduction des coûts de production des batteries tout en augmentant performances à certains égards. L'équipe a signalé une nouvelle classe de cathodes - l'électrode dans une batterie où réside généralement tout le cobalt - ancrée par une teneur élevée en nickel. La cathode dans leur étude est à 89% de nickel. Le manganèse et l'aluminium constituent les autres éléments clés.
Plus de nickel dans une batterie signifie qu'elle peut stocker plus d'énergie. Cette densité d'énergie accrue peut prolonger la durée de vie de la batterie d'un téléphone ou augmenter l'autonomie d'un véhicule électrique à chaque charge.
Les résultats ont été publiés ce mois-ci dans la revue Advanced Materials. L'article a été rédigé par Arumugam Manthiram, professeur au Walker Department of Mechanical Engineering et directeur du Texas Materials Institute, Ph.D. étudiant Steven Lee et Ph.D. diplômée Wangda Li.
Résumé de Advanced Materials
LiNi à haute teneur en nickel1−x−y Mnx Coy O2 (NMC) et LiNi1−x−y Cox Aly O2 (NCA) sont les matériaux de cathode de choix pour les batteries lithium-ion haute énergie de nouvelle génération. Le NMC et le NCA contiennent tous deux du cobalt, un métal cher et rare généralement considéré comme essentiel pour leurs performances électrochimiques. Ici, un LiNi1−x−y à haute teneur en Ni Mnx Aly O2 La cathode (NMA) aux propriétés électrochimiques souhaitables est démontrée par rapport aux NMC, NCA et NMC codopé Al-Mg (NMCAM) de teneur identique en Ni (89 mol %) synthétisés en interne.
Malgré une capacité spécifique légèrement inférieure, le NMA à haute teneur en Ni fonctionne à une tension plus élevée de ≈40 mV et ne présente aucun compromis en termes de capacité de débit par rapport au NMC et au NCA. Dans les cellules à poche associées au graphite, le NMA à haute teneur en Ni surpasse à la fois le NMC et le NCA et ne traîne que légèrement le NMCAM et une cathode commerciale après 1000 cycles profonds. En outre, la stabilité thermique supérieure de NMA à NMC, NCA et NMCAM est montrée en utilisant la calorimétrie à balayage différentiel. Compte tenu de la flexibilité dans le réglage de la composition et de l'évolutivité immédiate de la synthèse de la NMA à haute teneur en Ni très similaire à la NCA et à la NMC, cette étude ouvre un nouvel espace pour le développement de matériaux cathodiques pour les batteries Li‐ion à haute énergie et sans cobalt de nouvelle génération.
En règle générale, une densité d'énergie accrue entraîne des compromis, tels qu'une durée de vie plus courte - le nombre de fois qu'une batterie peut être chargée et déchargée avant qu'elle ne perde de son efficacité et ne puisse plus être complètement chargée. L'élimination du cobalt ralentit généralement la réponse cinétique d'une batterie et conduit à une capacité de débit plus faible - à quelle vitesse la cathode peut être chargée ou déchargée. Cependant, les chercheurs ont déclaré avoir surmonté les problèmes de cycle de vie court et de faible capacité de débit en trouvant une combinaison optimale de métaux et en assurant une répartition uniforme de leurs ions.
La plupart des cathodes pour batteries lithium-ion utilisent des combinaisons d'ions métalliques, comme le nickel-manganèse-cobalt (NMC) ou le nickel-cobalt-aluminium (NCA). Les cathodes peuvent représenter environ la moitié des coûts des matériaux pour l'ensemble de la batterie, le cobalt étant l'élément le plus cher. À un prix d'environ 28 500 $ la tonne, il est plus cher que le nickel, le manganèse et l'aluminium combinés, et il représente 10 % à 30 % de la plupart des cathodes de batterie lithium-ion.
Le cobalt est le composant le moins abondant et le plus cher des cathodes de batterie », a déclaré Manthiram. "Et nous l'éliminons complètement."
La clé de la percée des chercheurs se trouve au niveau atomique. Au cours de la synthèse, ils ont pu s'assurer que les ions des différents métaux restaient uniformément répartis sur la structure cristalline de la cathode. Lorsque ces ions se regroupent, les performances se dégradent et ce problème a tourmenté les anciennes batteries à haute énergie sans cobalt, a déclaré Manthiram. En gardant les ions uniformément répartis, les chercheurs ont pu éviter une perte de performances.
Notre objectif est de n'utiliser que des métaux abondants et abordables pour remplacer le cobalt tout en maintenant les performances et la sécurité", a déclaré Li, "et de tirer parti des processus de synthèse industrielle qui sont immédiatement évolutifs."
Manthiram, Li et l'ancien chercheur postdoctoral Evan Erickson ont travaillé avec l'Office of Technology Commercialization de l'UT pour former une startup appelée TexPower afin de commercialiser la technologie. Les chercheurs ont reçu des subventions du département américain de l'énergie, qui a cherché à réduire la dépendance aux importations pour les principaux matériaux de batterie.
L'industrie a sauté sur la poussée sans cobalt - notamment un effort de Tesla pour éliminer le matériau des batteries qui alimentent ses véhicules électriques. Avec de grandes organisations gouvernementales et des entreprises privées axées sur la réduction de la dépendance au cobalt, il n'est pas surprenant que cette poursuite soit devenue compétitive. Les chercheurs ont déclaré avoir évité les problèmes qui ont entravé d'autres tentatives de batteries à haute énergie sans cobalt grâce à des innovations sur la bonne combinaison de matériaux et le contrôle précis de leur distribution.
Image reproduite avec l'aimable autorisation de UT News, Université du Texas à Austin. Ces échantillons de poudre seront fabriqués pour devenir la cathode sans cobalt.Nous augmentons la densité énergétique et réduisons les coûts sans sacrifier la durée de vie », a déclaré Manthiram. "Cela signifie des distances de conduite plus longues pour les véhicules électriques et une meilleure autonomie de la batterie pour les ordinateurs portables et les téléphones portables."
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