Исследователи из Кореи разработали катодный материал большой емкости, который можно стабильно заряжать и разряжать в течение сотен циклов без использования дорогостоящего металлического кобальта (Co). Быстро приближается день, когда электромобили смогут ездить на большие расстояния с литий-ионными аккумуляторами.
Профессор Byoungwoo Kang и доктор. Джунгхва Ли из Департамента материаловедения и инженерии POSTECH успешно разработал катодный материал с высокой плотностью энергии, который может стабильно поддерживать заряд и разряд в течение более 500 циклов без дорогостоящего и токсичного металла Co. Исследовательская группа достигла этого, контролируя локальную структуру, разработав простой процесс синтеза слоистого материала с высоким содержанием лития, который привлекает внимание как катодный материал с высокой емкостью следующего поколения. Эти результаты исследования были опубликованы в ACS Energy Letters, журнале Американской химической ассоциации в области энергетики.
Пробег и цикл зарядки-разрядки электромобиля зависят от уникальных свойств материала электродов литий-ионной аккумуляторной батареи. Электричество генерируется, когда ионы лития перемещаются между катодом и анодом. В случае слоистого материала с высоким содержанием лития количество циклов резко уменьшается, когда извлекается и вводится большое количество лития. В частности, когда извлекается большое количество лития и реакция кислорода происходит в сильно заряженном состоянии, происходит структурный коллапс, из-за которого становится невозможным поддерживать свойства заряда-разряда или высокую плотность энергии в течение длительных циклов.
Это ухудшение свойств цикла препятствовало коммерциализации.
Исследовательская группа ранее показала, что однородное распределение атомов между слоем переходного металла и слоем лития слоистого материала с высоким содержанием лития может быть важным фактором в активации электрохимической реакции и цикличности в слоистых материалах с высоким содержанием лития. Затем команда провела последующее исследование, чтобы контролировать условия синтеза для увеличения степени распределения атомов в структуре. Используя ранее опубликованную твердотельную реакцию, команда разработала новый, простой и эффективный процесс, который может производить катодный материал с оптимизированным атомным распределением.
В результате было подтверждено, что синтезированный слоистый материал с высоким содержанием лития имеет оптимизированную локальную структуру с точки зрения электрохимической активности и циклических свойств, что позволяет обратимо использовать большое количество лития. Также было подтверждено, что окислительно-восстановительная реакция кислорода также протекала стабильно и обратимо в течение нескольких сотен циклов.
В этих оптимизированных условиях синтезированный слоистый материал с высоким содержанием никеля, не содержащий кобальта, показал на 180% более высокую обратимую энергию при 1100 Вт · ч / кг, чем традиционно коммерциализированный слоистый материал с высоким содержанием никеля (например,. LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2) с удельной энергией 600 Втч / кг.
В частности, даже если было удалено большое количество лития, стабильная структура сохранялась, обеспечивая около 95% емкости на 100 циклов. Кроме того, при поддержании 83% в течение 500 циклов ожидается революционная производительность, которая сможет поддерживать стабильно высокую энергию в течение сотен циклов.
«Значение этих результатов исследования состоит в том, что цикличность, которая является одной из важных проблем в слоистых материалах следующего поколения с высоким содержанием лития, была значительно улучшена за счет относительно простых изменений процесса», – пояснил профессор Бёнву Канг из ПОСТЕХ. «Это примечательно тем, что мы на шаг приблизились к коммерциализации слоистых материалов с высоким содержанием лития следующего поколения."