Ученые проектируют батарею без кобальта для более чистой, зеленой энергии

Заменив проблемный и дефицитный кобальт на более безопасные и более распространенные элементы, исследователи смягчают некоторые проблемы с текущими батареями.И в качестве дополнительного бонуса новая химия аккумулятора приводит к большей плотности энергии для эквивалентного веса и объема батареи, что может быть очень полезно в таких приложениях, как электромобили.Кредит: 2023 Yamada et al.CC-By-ND

Впервые команда, в том числе исследователи из Университета Токио, представляет жизнеспособную альтернативу кобальту, которая в некотором смысле может превзойти современную химию батареи.Это также переживает большое количество циклов перезарядки, и основная теория может быть применена к другим проблемам.Исследование было опубликовано в области устойчивости природы.

Скорее всего, вы читаете эту статью на ноутбуке или смартфоне, и если нет, то у вас, вероятно, есть хотя бы один из них.Внутри любого устройства и многих других вы найдете литий-ионную батарею (LIB).В течение десятилетий LIBS были стандартным способом питания портативных или мобильных электронных устройств и машин.По мере того, как мир переходит от ископаемого топлива, они рассматриваются как важный шаг для использования в электромобилях и домашних батареях для тех, у кого есть солнечные батареи.Но так же, как батареи имеют положительный конец и отрицательный конец, у LIBS есть негативные моменты, установленные против их положительных.

Во-первых, хотя они являются одними из наиболее плотных портативных источников электроэнергии, многие люди хотели бы, чтобы LIBS мог принести большую плотность энергии, чтобы сделать их либо дольше, либо еще более требовательные машины.Кроме того, они могут пережить большое количество циклов пополнения, но они также ухудшаются со временем;Для всех было бы лучше, если бы батареи могли выжить больше циклов перезарядки и дольше поддерживать свои возможности.Но, пожалуй, самая тревожная проблема с нынешними LIBS заключается в одном из элементов, используемых для их строительства.

Кобальт широко используется для ключевой части LIBS, электродов.Все батареи работают аналогичным образом: два электрода, один положительный и один отрицательный, способствуют потоку ионов лития между ними в так называемом электролите при подключении к внешней цепи.Кобальт, однако, является редким элементом;Фактически настолько редко, что в настоящее время есть только один основной источник: серия шахт, расположенных в Демократической Республике Конго.

За прошедшие годы за эти годы сообщалось о экологических последствиях этих шахт, а также о условиях труда, включая использование детского труда.С точки зрения поставок также источник кобальта является проблемой из -за политической и экономической нестабильности в регионе.

«Есть много причин, по которым мы хотим перейти от использования кобальта, чтобы улучшить литий-ионные батареи»,-сказал профессор Атсуо Ямада из Департамента химической системы.

«Для нас эта задача - это техническая, но ее влияние может быть экологическим, экономическим, социальным и технологическим. Мы рады сообщить о новой альтернативе кобальту, используя новую комбинацию элементов в электродах, включая литий, никель, марганье, кремний и кислород - гораздо более распространенные и менее проблематичные элементы для производства и работы ».

Новые электроды и электролита Yamada и его команда, созданные не только лишены кобальта, но и на самом деле улучшаются после текущей химии батареи в некоторых отношениях.

Энергетическая плотность новых LIBS примерно на 60% выше, что может привести к более длительному сроку службы, и она может обеспечить 4,4 вольт, в отличие от примерно 3,2–3,7 вольт типичных LIBS.Но одним из самых удивительных технологических достижений было улучшение характеристик перезарядки.

Тест -батареи с новой химией смогли в полной мере заряжать и сбросить более 1000 циклов (моделирование трех лет полного использования и зарядки), одновременно теряя только около 20% своей емкости для хранения.

«Мы до сих пор в восторге от результатов, но попасть сюда не было без проблем. Это была борьба, пытаясь подавить различные нежелательные реакции, которые происходили в ранних версиях наших новых химических исследований батареи, которые могли бы резко снизить долговечностьБатареи », - сказал Ямада.

«И у нас еще есть какое -то место, так как существуют затянутые незначительные реакции, чтобы смягчить, чтобы повысить безопасность и долговечность еще больше. В настоящее время мы уверены, что это исследование приведет к улучшению батарей для многих приложений, но некоторыеТам, где требуется крайняя долговечность и продолжительность жизни, могут пока не удовлетворены ».

Хотя Ямада и его команда изучали приложения в LIBS, концепции, которые лежат в основе их недавней разработкии более.

Больше информации: Электролитный конструкция для литий-ионных батарей с безгальтовым катодом и оксидным анодом кремния, устойчивостью природы (2023).Doi: 10.1038/s41893-023-01237-y