Разработка новых DRX материалов катода для Li-Ion аккумуляторов
Благодаря электрификации транспорта, спрос на литий-ионные аккумуляторы растет огромными темпами и к 2020 году он составит 2─10 тераватт-часов (ТВтч) ежегодного производства. Сегодня эта цифра составляет 0,5 ТВтч. Естественно, что возникают опасения в нехватке сырья для удовлетворения будущего спроса на литий-ионные аккумуляторы. Ограничения касаются никеля и кобальта, которые присутствуют в составе этой электрохимической системы. По ним существуют ограничения предложения на мировом рынке уже сейчас. Поэтому ученые ведут разработки, позволяющие заменить эти металлы на недорогие и более распространённые материалы.
Фото: Berkeley Lab
В частности, сотрудники национальной лаборатории Berkeley Lab в США несколько лет занимаются исследованиями по разработке катодов для Li-Ion аккумуляторов использованием нового класса материалов. Они разрабатывают электрохимическую систему с аналогичной энергетической плотностью, но в которой катод будет состоять из материалов, встречающихся в природе в больших количествах. Им удалось добиться значительного прогресса в этом направлении и получить катод с использованием семейства материалов под названием DRX. Это неупорядоченные каменные соли с избытком лития. Они были получены еще около десяти лет назад. С их помощью стало возможным изготовление катодов для литий─ионных аккумуляторов без использования кобальта или никеля.
Заместитель руководителя лаборатории Berkeley Lab по энергетическим технологиям Рави Прашер (Ravi Prasher) говорит, что классический литий─ионный аккумулятор уже отработал свои возможности и сейчас специалисты лаборатории пытаются уйти от зависимости в редких материалах. Как говорит он, это позволит исключить риски цепочек поставок и прочие проблемы социального и экологического характера. По его мнению, благодаря использованию материалов DRX, литий─ионный аккумулятор может стать основой для экологически безопасных аккумуляторов будущего.
Катод является одним из двух электродов в аккумуляторной батарее, на который приходится больше трети её стоимости. Сейчас для изготовления катодов в литий-ионных аккумуляторах используется класс материалов под названием NMC. Основными составляющими являются кобальт, никель и марганец.
Один из руководителей исследования в лаборатории Berkeley Lab Гербранд Седер (Gerbrand Ceder) он говорит, что занимался исследованиями катодов более 20 лет и DRX, по его мнению, является лучшим материалом на эту роль. Актуальный класс материалов NMC более не может быть использован, поскольку ограничивает возможности по наращиванию выпуска аккумуляторных батарей. Помимо большей распространённости, материалы DRX обладают большей композиционной гибкостью. Это значит, что в них можно использовать все виды металлов. То есть, ещё на стадии разработки аккумуляторной батареи можно решать возникающие проблемы с помощью добавления того или иного металла.
Риски цепочек поставок никеля и кобальта
Министерство энергетики США (DOE) сделало одним из своих приоритетов поиск способов сокращения или отказа от использования кобальта в литий-ионных аккумуляторах. По их словам, это обусловлено огромным дефицитом ресурсов. Даже если рассчитывать по нижнему диапазону прогноза спроса на литий-ионные аккумуляторы (2 ТВтч), при достижении такого уровня производства будет израсходован весь запас никеля. Что касается кобальта, то его не хватит даже для этого. По оценкам специалистов, ежегодный выпуск Li-Ion аккумуляторов 2 ТВтч потребует около двух тысяч килотонн никеля и кобальта. При этом нужно понимать, что больше 2/3 производимого никеля сейчас применяется в металлургии для выпуска нержавеющей стали. Крупнейшими мировыми производителями кобальта являются Республика Конго (более половины всего объёма), Австралия, Россия, Куба, Филиппины.
В катодах из DRX может быть использован практически любой металл вместо кобальта и никеля. Учёные сосредоточили свои усилия на использовании титана и марганца, являющихся более распространенными и дешевыми, чем Ni и Co. Оксид титана и оксид марганца имеют стоимость меньше 1$ за килограмм. Для сравнения кобальт и никель стоят 45$ и 18$, соответственно. Гербранд Седер говорят, что благодаря катоду из DRX может быть получен класс недорогих литий-ионных аккумуляторов, которые будут использоваться в транспортных средствах, электрических сетях и других направлениях, где требуется накопление энергии.
Упорядоченная или неупорядоченная структура
Седер его команда учёных разработали материалы DRX в 2014 году. В созданных ими аккумуляторах энергия и мощность зависят от количества ионов лития, которые могут попасть в катод, и их скорости. В стандартных литий-ионных аккумуляторах ионы лития проходят через материал катода по четко определенному пути и встраиваются между атомами переходных металлов аккуратными упорядоченными слоями. В ходе исследования ученым удалось обнаружить, что катод с неупорядоченный атомной структурой может удерживать больше ионов лития. Это значит, что аккумулятор будет иметь более высокую энергетическую плотность.
В 2018 году Министерство энергетики США выделило средства для ученых Berkeley Lab, чтобы они глубже погрузились в исследования материалов DRX. С тех пор им удалось добиться существенного прогресса в оптимизации катодов из материалов DRX в литий─ионных аккумуляторах при сотрудничестве со специалистами из Окриджской национальной лаборатории, Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.
Изначально скорость зарядки аккумуляторов с катодами DRX была низкой, а стабильность системы невысокой. В результате ряда экспериментов и моделирования учёным удалось решить эти проблемы. В частности, для повышения стабильности было использовано фторирование. Полученные результаты публиковались в журналах Advanced Energy Materials и Advanced Functional Materials. Исследования по обеспечению высокой скорости зарядки литий-ионных аккумуляторов с использованием DRX публиковались в журнале Nature Energy.
Поскольку DRX может включать в себя различные элементы, ученые провели работу над выбором оптимального элемента. Основные требования были в невысокой стоимости, широком распространении в природе и обеспечении необходимой производительности. Им удалось синтезировать DRX практически со всеми элементами в таблице Менделеева. Руководитель Berkeley Lab’s Energy Storage Center Ноэль Бахтиан (Noel Bakhtian) отметила, что подобные исследования можно сравнить с фундаментальными открытиями. Ведь в будущем такие литий-ионные аккумуляторы могут стать основой для любых систем накопления энергии в самых разных сферах деятельности. И речь идет не только о промышленности.
Быстрый прогресс и внедрение
Обычно на коммерциализацию новых материалов для аккумуляторов уходит 15─20 лет. Гербранд Седер считает, что прогресс в сфере внедрения материалов DRX можно ускорить за счёт расширения команды исследователей. Поэтому они готовы привлекать более широкий круг людей с различными навыками, чтобы ускорить прогресс этих аккумуляторных батарей.
По его мнению, расширенная группа исследователей могла бы быстро решить остающиеся проблемы. Например, увеличение срока эксплуатации аккумуляторов. Решения также требует оптимизация электролита, который выступает в роли химической среды, обеспечивающей прохождение частиц между катодом и анодом. С момента начала разработок DRX подобные группы исследователей уже появились в Японии и Европе.
Заместитель руководителя Berkeley Lab по энергетическим наукам Джефф Нитон (Jeff Neaton) сказал, что достижения в сфере хранения энергии и аккумуляторных технологиях требует постоянных исследований в фундаментальной науке о материалах. Он отмечает, что Berkeley Lab имеет все необходимые возможности в сфере синтеза, вычислений, обработки данных для изучения материалов на уровне атомов и электронов. Поэтому им не составит труда ускорить разработку литий-ионных аккумуляторов закатами из DRX материалов.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
