Новый класс под названием NFA, который обозначает катод на основе никеля, железа и алюминия, является производным никелата лития и может использоваться для изготовления положительного электрода литий-ионной батареи. Эти новые катоды спроектированы так, чтобы обеспечивать быструю зарядку, высокую энергоемкость, экономичность и долговечность.
С ростом производства портативной электроники и электромобилей во всем мире литий-ионные батареи пользуются большим спросом.
По словам Илиаса Белхаруака, ученого ORNL, возглавляющего исследования и разработки NFA, к 2030 году ожидается, что на дорогах будет более 100 миллионов электромобилей. Кобальт – это металл, который в настоящее время необходим для катода, который составляет значительную часть стоимости литий-ионной батареи.
Кобальт встречается редко и в основном добывается за рубежом, что затрудняет приобретение и производство катодов. В результате поиск альтернативного кобальту материала, который можно было бы производить с минимальными затратами, стал приоритетной задачей исследований литий-ионных аккумуляторов.
Ученые ORNL протестировали характеристики катодов класса NFA и определили, что они являются многообещающими заменителями катодов на основе кобальта, как описано в Advanced Materials и Journal of Power Sources. Исследователи использовали нейтронную дифракцию, мёссбауэровскую спектроскопию и другие передовые методы определения характеристик для исследования атомной и микроструктуры NFA, а также электрохимических свойств.
«Наши исследования поведения NFA при зарядке и разрядке показали, что эти катоды подвергаются таким же электрохимическим реакциям, что и катоды на основе кобальта, и обеспечивают достаточно высокую удельную емкость для удовлетворения требований к плотности энергии батареи», – сказал Белхаруак.
Хотя исследования класса NFA находятся на начальной стадии, Белхаруак сказал, что предварительные результаты его команды на сегодняшний день показывают, что кобальт может не понадобиться для литий-ионных аккумуляторов следующего поколения.
«Мы разрабатываем катод, который имеет такие же или лучшие электрохимические характеристики, чем катоды на основе кобальта, при этом мы используем более дешевое сырье», – сказал он.
Белхаруак добавил, что не только NFA работает так же хорошо, как катоды на основе кобальта, но и процесс производства катодов NFA может быть интегрирован в существующие глобальные процессы производства катодов.
«Никелат лития уже давно рассматривается как предпочтительный материал для изготовления катодов, но он страдает внутренней структурной и электрохимической нестабильностью», – сказал он. «В наших исследованиях мы заменили часть никеля на железо и алюминий, чтобы повысить стабильность катода. Железо и алюминий – экономичные, экологичные и экологически чистые материалы."
Будущие исследования и разработки класса NFA будут включать тестирование материалов в крупноформатных ячейках для проверки результатов лабораторных исследований и дальнейшего изучения пригодности этих катодов для использования в электромобилях.