Новые литий-ионные аккумуляторы из недорогих доступных металлов

Прорывные разработки катодов батарей с использованием нового класса материалов, обеспечивают им высокую плотностью энергии, сопоставимую с обычными литий-ионными батареями, но могут быть изготовлены в большом количестве из недорогих металлов (без никеля и кобальта).

Литий-ионные батареи отлично удерживают заряд и обладают высокой плотностью энергии, но они не лишены недостатков. Поскольку в их составе имеются токсичные, легковоспламеняющиеся материалы, то при малейшем дефекте может произойти возгорание или даже взрыв, а утилизация достаточно сложная.

В будущем электрифицированном мире спрос на аккумуляторы будет огромным, достигнув к 2030 году от 2 до 10 тераватт-часов (ТВтч) годового производства аккумуляторов по сравнению с менее чем 0,5 ТВтч сейчас. Поскольку литий-ионный аккумулятор в обозримом будущем вероятнее всего будет по-прежнему широко использоваться, то возникает проблема – наличия в достаточном количестве основного сырья для удовлетворения этих будущих потребностей. Это прежде всего касается кобальта и никеля, поскольку по этим металлам возникают значительные ограничения предложений на мировом рынке.

Проблема достаточно остра, поскольку индустрия аккумуляторов сталкивается с огромным дефицитом ресурсов даже при 2 ТВт-ч, нижнем диапазоне прогнозов глобального спроса, на который будет израсходована почти вся сегодняшняя добыча никеля, а по поставкам кобальта дефицит еще больший.

Производство кобальта сегодня составляет всего около 150 тысяч тонн, а 2 ТВт-ч энергии батареи было бы требуется 2 000 000 тонн никеля и кобальта в некоторой комбинации.

Более того, более двух третей мирового производства никеля в настоящее время используется для производства нержавеющей стали. Больше половины мирового производства кобальта приходится на Демократическую Республику Конго, при этом Россия, Австралия, Филиппины и Куба замыкают пятерку крупнейших производителей кобальта. В связи с этим Министерство энергетики США (DOE) сделало своим приоритетом поиск способов сокращения или отказа от использования кобальта в батареях.

На катод литий-ионной батареи — один из двух электродов в батарее — приходится более одной трети ее стоимости. В настоящее время катод в литий-ионных батареях использует класс материалов, известный как NMC, с никелем, марганцем и кобальтом в качестве ключевых ингредиентов.

С текущим классом материалов NMC, который ограничен только никелем, кобальтом и неактивным компонентом, изготовленным из марганца, классическая литий-ионная батарея не может решить накопляющихся проблем.

После нескольких лет исследований, проводимых Национальной лабораторией Лоуренса 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 могут быть изготовлены в большом количестве из недорогих металлов. Это новое семейство материалов, известное как DRX (что означает неупорядоченные каменные соли с избытком лития), позволяет изготавливать катоды без никеля и кобальта.

Благодаря материалам DRX литиевые батареи могут стать основой для экологически безопасных аккумуляторных технологий будущего.

Очень важно, что материалы DRX обладают огромной композиционной гибкостью, соответственно, можно использовать все виды металлов в большом количестве в катоде DRX.

Иллюстрация «неупорядоченной» атомной структуры катода DRX (справа) в сравнении с «упорядоченной» атомной структурой обычного катода. Неупорядоченная структура катода может хранить больше лития, что означает больше энергии, в то же время позволяя использовать более широкий спектр элементов в качестве переходного металла. Предоставлено: Лаборатория Беркли.

В батареях количество и скорость ионов лития, которые могут попасть в катод, характеризуют, сколько энергии и мощности 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 исследователей обнаружила, что катод с неупорядоченной атомной структурой может удерживать больше лития, а это означает больше энергии, в то же время позволяя более широкому диапазону элементов служить переходным металлом. Они также узнали, что в этом хаосе ионы лития могут легко перемещаться.

В настоящее время ученые добились огромного прогресса в оптимизации катодов DRX в литий-ионных батареях. Так на первых этапах исследований скорость заряда и скорость зарядки аккумулятора при использовании этих материалов изначально была очень низкой, и ее стабильность также была недостаточной. Но исследовательская группа нашла способы решить обе эти проблемы с помощью моделирования и экспериментов.

Поскольку катоды DRX могут использовать практически любой металл вместо никеля и кобальта, ученые сосредоточили свое внимание на использовании марганца и титана, которые являются более распространенными и более дешевыми, 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.

Таким образом, используя DRX появляется возможность для создания очень недорогих аккумуляторов энергии. В этом случае литий-ионные аккумуляторы становятся доступными и могут использоваться повсюду — от транспортных средств до накопления энергии в электросети.

Поскольку DRX может состоять из множества различных элементов, исследователи также работали над тем, какой элемент лучше всего использовать, находя «золотую середину», материал, который был бы доступным, недорогим и обеспечивал хорошую производительность.