Forbedrede NMC-kathoder revolutionerer batterier

Forskere fra USA har gjort store fremskridt med udviklingen af NMC-kathoder med en forbedret struktur, der optimerer brugen af kobalt i elektrokemiske batterier. Den nye udgave af det tidligere NMC-materiale har en overflade beriget med kobalt, mens indersiden er næsten kobaltfri. Denne tilgang muliggør en mere effektiv udnyttelse af de ønskede egenskaber fra aktivmaterialerne.

Den originale NMC-katode fik allerede tidligere en optimeret sammensætning af nickel, mangan og kobalt af Argonne-forskerne. Med en teknik kendt som 'composition gradient design', falder koncentrationen af nickel gradvist fra kernen af kathodematerialets partikler til overfladen. Dette design er tænkt til at maksimere energidensiteten i højvolt-batteridrift og samtidig minimere reaktiviteten.

Materialet, som nu er licenseret til producenter af batterier og materialer, er blevet kommercielt anvendt. Khalil Amine, leder af Advanced Battery Technology-teamet hos Argonne, påpeger, at for at elektriske køretøjer kan erstatte forbrændingsmotorer globalt, er det nødvendigt, at batterierne kan operere ved højere spændinger for at levere mere energi og rækkevidde.

Dog kan katodepartikler med lagdelte, ordnede strukturer have en tendens til at briste, når de bruges ved høje spændinger, hvilket kan påvirke batteriets levetid og i værste fald medføre sikkerhedsproblemer.

Derfor har ANE-teams tilføjet en ny dimension til 'composition gradient design', der inkluderer et koncentrationsforløb for kobalt, således at der nu er tale om et 'dual gradient design'. Dette design ændrer også den ordnede, lagdelte struktur af materialet: I kernen forbliver partiklerne lagdelte, mens de yderste lag bliver mere uordnede.

Formålet er, at den uordnede partikeloverflade skal reducere risikoen for revner og reaktivitet, mens den ordnede kerne maksimerer iontransporten. Ifølge instituttet kan denne nye katode potentielt opnå høj kapacitet og stabilitet under drift ved høje spændinger. Testresultater skal ifølge rapporter have bekræftet, at katodematerialet med disse unikke egenskaber forbliver stabilt, selv efter 500 lade- og afladecykler, med et kapacitetsfald på kun to procent.

"Vi har vist, at den uordnede partikeloverflade er ekstremt holdbar og udviser næsten ingen reaktivitet eller strukturel spænding," siger Tongchao Liu, en kemiker fra Argonne og hovedforfatter af den nylig offentliggjorte artikel i Nature Energy om Argonnes Dual-Gradient-katode. Samarbejdspartnere inkluderer Brookhaven Institute fra Energi ministeriet og Lawrence Berkeley National Laboratory.