Parannettu NMC-katodi kehitetty Yhdysvalloissa

Yhdysvaltalaiset tutkijat ovat kehittäneet uudenlaisen NMC-katodimateriaalin, jossa on parannettu rakenne. Tämän uuden version keskeinen ero aikaisempiin on se, että siinä kobaltitaso on nostettu pinnalla, kun taas sisäosa on lähes kobalttivapaa. Tämä tarkoittaa, että voidaan hyödyntää paremmin kaikkien aktiivisten materiaalien etuja. Kobaltinkäyttö on vähentynyt merkittävästi, ja nyt sen osuus on vain kaksi prosenttia aikaisemman kymmenen tai kahdenkymmenen prosentin sijasta.

Alkuperäisen NMC-materiaalin osalta Argonnen tutkijat olivat optimoineet nikkelin, mangaanin ja kobaltinnesteohta sekoituksen. "Composition gradient design" -menetelmässä nikkelin osuus alenee vähitellen katodimateriaalin partikkelien ytimestä pinnalle. "Ideana oli maksimoida energiatehokkuus korkeamman jännitteen akkujärjestelmissä ja minimoida reaktiivisuus", kertovat tutkijat. Nämä katodipartikkelit ovat kerroksellisia, ja metalliatomien järjestäytyneet kerrokset muodostavat reittejä litiumionien kulkeutumiselle akkujen elektrodien välillä.

Tämä uusi materiaali on jo lisensoitu akkutuottajille ja materiaalivalmistajille, mikä tarkoittaa, että se on kaupallisesti käytössä. "Jotta sähköautot voisivat korvata polttomoottoriautot maailmanlaajuisesti, akkujen on kyettävä korkeampiin jännitteisiin, jotta ne tuottavat enemmän energiaa ja pidemmät toimintamatkat", sanoo Argonnen Advanced Battery Technology -tiimin johtaja Khalil Amine.

Kuitenkin korkealla jännitteellä toimivat kerrokselliset katodipartikkelit voivat halkeilla ja reagoida voimakkaammin akun elektrolyytin kanssa. Tämä ei ainoastaan vähennä akun käyttöikää, vaan se voi äärimmäisissä tapauksissa aiheuttaa turvallisuushuolia. Tämän vuoksi ANE-tiimit ovat kehittäneet "composition gradient design" -konseptia edelleen, ja tähän on lisätty mainittu kobaltitasoprofiili. Nyt puhutaan myös "dual gradient design" -konseptista, sillä materiaalin kerroksellista rakennetta on rikottu: ytimen täytyy edelleen koostua kerroksellisista partikkelista, mutta pinnalla rakenne on yhä sekavampi.

Ajatuksena on, että sekava partikkelin pinta vaimentaa halkeamien muodostumista ja reaktiivisuutta, kun taas järjestäytynyt ydin maksimoi ionien kulkeutumisen. "Tällä tavoin katodi voi potentiaalisesti saavuttaa korkean kapasiteetin ja vakauden korkean jännitteen olosuhteissa", institutti toteaa. Testit ovat vahvistaneet, että erityisten ominaisuuksien omaavan katodemateriaalin valmistus on onnistunut - ja partikkelit pysyvät vakaina korkean jännitteen käytössä. 500 lataus- ja purkausyklissä materiaali menettää vain kaksi prosenttia kapasiteetistaan.

"Olemme todistaneet, että sekava partikkelin pinta on lähes tuhoutumaton ja käytännössä ei omaa reaktiivisuutta tai rakenteellista jännitystä”, sanoo Argonnen kemisti Tongchao Liu, joka on tämän aihetta käsittelevän Nature Energy -artikkelin pääkirjoittaja. Yhteistyökumppaneina ovat olleet mm. Yhdysvaltain energiaministeriön Brookhaven-instituutti ja Lawrence Berkeley National Laboratory.