Pin Lithium-Ion không chứa coban mới giúp giảm chi phí mà không có hiệu suất hy sinh

Ban đầu được xuất bản trên The Cockrell School of Engineering tại Đại học Texas ở Austin

AUSTIN, Texas - Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã tìm cách loại bỏ coban khỏi pin năng lượng cao cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử, do chi phí cao và sự phân chia nhân quyền trong việc khai thác của nó. Nhưng những nỗ lực trước đây đã không đáp ứng được tiêu chuẩn hiệu suất của pin có coban.

Hình ảnh
của UT News, Đại học Texas ở Austin, Những mẫu bột này sẽ được chế tạo để trở thành cực âm không chứa coban.

Các nhà nghiên cứu từ Trường Kỹ thuật Cockrell tại Đại học Texas ở Austin cho biết họ đã bẻ khóa mã cho một loại pin lithium-ion năng lượng cao không chứa coban, loại bỏ coban và mở ra cánh cửa để giảm chi phí sản xuất pin trong khi tăng hiệu suất theo một số cách. Nhóm nghiên cứu đã báo cáo một loại cực âm mới - điện cực trong pin, nơi thường chứa tất cả coban - được neo bởi hàm lượng niken cao. Cực âm trong nghiên cứu của họ là 89% niken. Mangan và nhôm tạo nên các nguyên tố chính khác.

Nhiều niken hơn trong pin có nghĩa là nó có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn. Mật độ năng lượng tăng lên có thể dẫn đến tuổi thọ pin lâu hơn cho điện thoại hoặc phạm vi lớn hơn cho xe điện với mỗi lần sạc.

Các phát hiện đã xuất hiện trong tháng này trên tạp chí Vật liệu nâng cao. Bài báo được viết bởi Arumugam Manthiram, giáo sư Khoa Cơ khí Walker và giám đốc Viện Vật liệu Texas, Ph.D. sinh viên Steven Lee và Ph.D. tốt nghiệp Wangda Li.

Tóm tắt từ Tài liệu nâng cao:

LiNi ‐ niken cao _{1 − x − y} Mn _x Co _y O ₂ (NMC) và LiNi _{1 − x − y} Co _x Al _y O ₂ (NCA) là vật liệu cực âm được lựa chọn cho pin lithium-ion năng lượng cao thế hệ tiếp theo. Cả NMC và NCA đều chứa coban, một kim loại khan hiếm và đắt tiền thường được cho là cần thiết cho hiệu suất điện hóa của chúng. Ở đây, một ‐ Ni LiNi _{1 − x − y} cao Mn _x Al _y O ₂ Cực âm (NMA) có các đặc tính điện hóa mong muốn được chứng minh là chuẩn so với NMC, NCA và NMC được mã hóa Al – Mg (NMCAM) có hàm lượng Ni giống hệt nhau (89 mol%) được tổng hợp trong nhà máy.

Mặc dù có công suất cụ thể thấp hơn một chút, NMA ‐ Ni cao hoạt động ở điện áp cao hơn ≈40 mV và không có sự ảnh hưởng nào về khả năng tốc độ so với NMC và NCA. Trong các tế bào túi được ghép nối với graphite, NMA ‐ Ni cao vượt trội hơn cả NMC và NCA và chỉ đi qua một chút NMCAM và một cực âm thương mại sau 1000 chu kỳ sâu. Hơn nữa, độ ổn định nhiệt vượt trội của NMA đối với NMC, NCA và NMCAM được thể hiện bằng cách sử dụng nhiệt lượng quét vi sai. Xem xét tính linh hoạt trong điều chỉnh thành phần và khả năng mở rộng tổng hợp tức thì của NMA Ni cao rất giống với NCA và NMC, nghiên cứu này mở ra một không gian mới để phát triển vật liệu catốt cho pin Li ‐ ion năng lượng cao, không coban thế hệ tiếp theo.

Thông thường, mật độ năng lượng tăng lên dẫn đến sự đánh đổi, chẳng hạn như vòng đời ngắn hơn - số lần pin có thể được sạc và xả trước khi mất hiệu suất và không thể sạc đầy được nữa. Loại bỏ coban thường làm chậm phản ứng động học của pin và dẫn đến khả năng tốc độ thấp hơn - cực âm có thể được sạc hoặc xả nhanh như thế nào. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho biết họ đã khắc phục được các vấn đề về vòng đời ngắn và khả năng tốc độ kém thông qua việc tìm ra sự kết hợp tối ưu giữa các kim loại và đảm bảo sự phân bố đồng đều các ion của chúng.

Hầu hết các cực âm cho pin lithium-ion sử dụng kết hợp các ion kim loại, chẳng hạn như niken-mangan-coban (NMC) hoặc niken-coban-nhôm (NCA). Catốt có thể chiếm khoảng một nửa chi phí vật liệu cho toàn bộ pin, trong đó coban là nguyên tố đắt nhất. Với mức giá khoảng 28.500 USD / tấn, nó đắt hơn cả niken, mangan và nhôm cộng lại, và nó chiếm 10% đến 30% của hầu hết các cực âm của pin lithium-ion.

Coban là thành phần ít dồi dào nhất và đắt nhất trong cực âm của pin, ”Manthiram nói. “Và chúng tôi đang hoàn toàn loại bỏ nó.”

Chìa khóa cho sự đột phá của các nhà nghiên cứu có thể được tìm thấy ở cấp độ nguyên tử. Trong quá trình tổng hợp, họ có thể đảm bảo các ion của các kim loại khác nhau vẫn phân bố đồng đều trên cấu trúc tinh thể trong catốt. Khi các ion này tụ lại, hiệu suất sẽ giảm và vấn đề đó đã ảnh hưởng đến các loại pin năng lượng cao, không chứa coban trước đây, Manthiram nói. Bằng cách giữ cho các ion phân bố đồng đều, các nhà nghiên cứu đã có thể tránh được việc mất hiệu suất.

Mục tiêu của chúng tôi là chỉ sử dụng các kim loại dồi dào và giá cả phải chăng để thay thế coban trong khi vẫn duy trì hiệu suất và độ an toàn, ”Li nói,“ và tận dụng các quy trình tổng hợp công nghiệp có thể mở rộng ngay lập tức. ”

Manthiram, Li và cựu nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Evan Erickson đã làm việc với Văn phòng Thương mại Công nghệ của UT để thành lập một công ty khởi nghiệp có tên TexPower nhằm đưa công nghệ ra thị trường. Các nhà nghiên cứu đã nhận được tài trợ từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, cơ quan đã tìm cách giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu đối với các nguyên liệu pin quan trọng.

Ngành công nghiệp đã nhảy vào nỗ lực không có coban - đáng chú ý nhất là nỗ lực của Tesla nhằm loại bỏ vật liệu này khỏi pin cung cấp năng lượng cho xe điện của họ. Với việc các tổ chức chính phủ lớn và các công ty tư nhân tập trung vào việc giảm sự phụ thuộc vào coban, không có gì ngạc nhiên khi việc theo đuổi này trở nên cạnh tranh. Các nhà nghiên cứu cho biết họ đã tránh được các vấn đề cản trở các nỗ lực khác trong việc sản xuất pin năng lượng cao, không chứa coban bằng những cải tiến về sự kết hợp phù hợp của các vật liệu và kiểm soát chính xác sự phân phối của chúng.

Chúng tôi đang tăng mật độ năng lượng và giảm chi phí mà không phải hy sinh vòng đời của chu trình, ”Manthiram nói. “Điều này có nghĩa là quãng đường lái xe dài hơn đối với xe điện và tuổi thọ pin tốt hơn đối với máy tính xách tay và điện thoại di động.”

• Câu chuyện có liên quan

• Pin sắp hết