Nya katoder med förbättrad struktur från USA

Forskare i USA har utvecklat en förbättrad version av NMC (nickel-mangan-kobolt) katoder med en ny och effektiv struktur. Denna innovation syftar till att optimera de fördelaktiga egenskaperna hos de aktiva materialen, där ytan nu är berikad med kobolt, medan innehållet nästan är fritt från kobolt. Detta har lett till att användningen av kobolt har minskat dramatiskt, från tio till tjugo procent till endast två procent.

För det ursprungliga NMC-materialet hade forskarna vid Argonne National Laboratory redan gjort betydande förbättringar i sammansättningen av nickel, mangan och kobolt. Genom vad som kallas för "composition gradient design" minskar koncentrationen av nickel gradvis från kärnan av katodmaterialpartiklarna mot ytan. Detta designkoncept syftar till att maximera energitätheten vid höga spänningar och minimera reaktiviteten, vilket är ytterst viktigt för batterier som används i elfordon.

Dessa förbättrade katodpartiklar har en skiktad struktur som underlättar transporten av litiumjoner mellan batterielektroderna. Eftersom teknologin redan har licensierats till batteri- och materialtillverkare, används den kommersiellt. Khalil Amine, chef för Advanced Battery Technology-teamet vid Argonne, betonar vikten av att elektriska fordon kan ersätta förbränningsmotorer globalt genom att erbjuda högre spänningar för att öka både energinivåerna och räckvidden.

En utmaning med högspänningsdrift är att katodpartiklarna, med sina skiktade strukturer, kan spricka och reagera kraftigare med batterielektrolyten. Detta kan förkorta batteriets livslängd och i extrema fall leda till säkerhetsrisker.

För att förbättra hållbarheten har ANE-teamet lagt till en ny dimension till designen, vad de kallar "dual gradient design". Här är partikelstrukturen oförändrad i kärnan med skiktat material, medan ytan blir mer oordnad. Denna oordnade yta syftar till att minska risken för sprickbildning och reaktivitet, medan den ordnade kärnan maximerar transporten av joner.

Resultaten av testerna har visat att katodmaterialet med dessa speciella egenskaper är framgångsrikt och förblir stabilt även vid hög spänning. Efter 500 cykler av laddning och urladdning har materialet endast förlorat två procent av sin kapacitet. Tongchao Liu, en kemist från Argonne och huvudförfattare av en nyligen publicerad artikel i Nature Energy, sade att den oordnade partikelns yta är i princip oförstörbar och visar praktiskt taget ingen reaktivitet eller strukturell spänning.