Forbedret NMC-katode fra amerikanske forskere

Forskere ved Argonne National Laboratory i USA har utviklet en banebrytende NMC-katode med forbedret struktur. Denne nye versjonen av NMC-materialet skiller seg ut ved at overflaten er beriket med kobalt, mens kjernen nesten er helt kobaltfri. Dette designet gjør det lettere å utnytte de positive egenskapene til de aktive materialene, og reduserer samtidig bruken av kobalt drastisk – fra 10-20 prosent ned til bare 2 prosent.

Det originale NMC-materialet hadde også en optimalisert sammensetning av nikkel, mangan og kobalt. Gjennom det som kalles “composition gradient design”, reduseres nikkelinnholdet gradvis fra kjernen ut mot overflaten av katodepartiklene. Målet var å maksimere energitettheten ved høyspenningsdrift og minimere reaktiviteten, ifølge instituttet. Denne katodepartiklene har en lagdelt struktur, som skaper veier for transport av lithiumioner mellom batteriets elektroder.

Materialet har allerede blitt lisensiert til batteri- og materialprodusenter, noe som gjør det kommersielt tilgjengelig. Khalil Amine, leder for Advanced Battery Technology-teamet ved Argonne, påpeker at for at elektriske kjøretøy skal kunne erstatte forbrenningsmotorer over hele verden, må batterier kunne operere med høyere spenninger for å levere mer energi og lengre rekkevidder.

Imidlertid kan katodepartikler med slike lagdelte, ordnede strukturer ha en uheldig tendens til å knekke ved høy spenningsdrift, noe som fører til økt reaktivitet med batterielektrolytten. Dette reduserer ikke bare batteriets levetid, men kan også skape sikkerhetsproblemer i verste fall.

For å adressere disse utfordringene har ANE-teamene introdusert et nytt aspekt til “composition gradient design”, og innført det såkalte “dual gradient design”. Dette innebærer at den ordnede, lagdelte materialstrukturen brytes ned: Partiklene består fremdeles av lagdelt materiale i kjernen, men overflaten blir mer uordnet.

Ideen bak dette designet er at den uordnede partikkeloverflaten kan redusere sprekkdannelse og reaktivitet, mens den ordnede kjernen maksimerer ionetransporten. Dette kan potensielt føre til at katoden oppnår høy kapasitet og stabilitet selv ved høy spenning, ifølge instituttet. Testene viser at katodematerialet med disse unike egenskapene forblir stabilt, selv etter 500 lade- og utladingssykluser, med bare 2 prosent kapasitetstap.

“Vi har bevist at den uordnede partikkeloverflaten er ekstremt holdbar og viser praktisk talt ingen reaktivitet eller strukturell stress,” sier Tongchao Liu, en kjemiker fra Argonne og hovedforfatter av artikkelen om Dual-Gradient-katoden publisert i Nature Energy. Samarbeidspartnerne inkluderer Brookhaven Institute fra energidepartementet og Lawrence Berkeley National Laboratory.