Демонстрираха литиево-йонна батерия без кобалт, която предлага 60% по-голяма енергийна плътност

Тъй като преходът към по-чисти форми на енергия става критичен за постигане на целите за нетно нула, ефективното съхранение на такава енергия, генерирана от възобновяеми източници, придобива първостепенно значение.

До тази степен акумулаторните батерии с висок капацитет и надеждност са от съществено значение за постигането на тази цел, която се използва в електрониката и различни видове транспорт. Въпреки това, батериите включват различни елементи, включително кобалт, допринасящи за екологични, икономически и социални трудности.

За да я направят по-екологична и ефективна, изследователи от Токийския университет предложиха алтернативен дизайн на батерията, който служи и за двете цели. Според екипа, новата архитектура може също така да надмине показателите за производителност, показвани от други съвременни дизайни на батерии. Освен това моделът може да издържи няколко цикъла на презареждане, като основната идея може да бъде разширена и за други приложения.

Проучването, в което се описват техните изследвания, е публикувано в списанието Nature Sustainability.

Проблеми с кобалта

Литиево-йонните батерии (LIB) се превърнаха в стандартен метод за захранване на преносими или мобилни електронни джаджи и машини от десетилетия. Тъй като светът се отдалечава от изкопаемите горива, те се смятат за критична стъпка за електрическите автомобили и домашните батерии за хора със слънчеви панели.

Въпреки че дизайните на LIB предлагат един от най-гъстите преносими източници на енергия днес, възникват изисквания за модели с по-висока енергийна плътност, за да издържат по-дълго или да захранват по-взискателни устройства.

Според екипа, LIB могат да издържат на много цикли на презареждане, но те се разграждат с времето; за всички би било за предпочитане батериите да могат да издържат на повече цикли на презареждане и да запазят възможностите си за по-дълъг период от време. Въпреки това, най-загриженият проблем с модерните LIB е един от материалите, използвани в тяхното разработване.

Кобалтът, използван в LIB, е рядък елемент, толкова необичаен, че сега има само един основен източник: мрежа от мини в Демократична република Конго. Изследователите казват, че през годините са били повдигани много въпроси относно екологичните последици от тези мини и условията на труд, включително експлоатацията на детски труд. Източникът на кобалт също е проблем поради политическата и икономическа нестабилност в региона.

По-ефективен дизайн

Кобалтът обикновено се използва в електродите, които са основен компонент на LIB. Всички батерии функционират по подобен начин: когато са свързани към външна верига, два електрода, един положителен и един отрицателен, улесняват движението на литиеви йони между тях в това, което е известно като електролит.

Освен етичните и устойчиви проблеми с производството на кобалт, има няколко причини, поради които отказът от него е идеален за разработване на литиево-йонни батерии. „За нас предизвикателството е техническо, но въздействието му може да бъде екологично, икономическо, социално и технологично“, каза в изявление професор Ацуо Ямада от катедрата по инженерство на химически системи в университета.

Учените откриха нова алтернатива на кобалта чрез комбиниране на компоненти в електродите, които включват литий, никел, манган, силиций и кислород – всички те са значително по-често срещани и по-малко трудни за създаване и работа с тях.

Новите електроди и електролити на Ямада и неговия екип са не само без кобалт, но също така подобряват химията на конвенционалните батерии в няколко аспекта. Тестовете показват, че тези LIB имат 60 процента по-голяма енергийна плътност, което може да означава по-дълъг живот и могат да осигурят 4,4 волта в сравнение с 3,2-3,7 волта в стандартните LIB.

Въпреки това, един от най-забележителните резултати беше подобряването на свойствата за презареждане. Изследователите казват, че новата химия позволява на тестовите батерии да се зареждат и разреждат напълно за повече от 1000 цикъла (симулиращи три години пълно използване и зареждане), като същевременно губят приблизително 20 процента от капацитета си за съхранение.

Екипът все още усъвършенства модела, за да смекчи някои нежелани реакции, за да подобри още повече безопасността и дълготрайността на дизайна.

Изследователите също така отбелязват, че този дизайн може да се приложи към електрохимични процеси и устройства, включително други „видове батерии, разделяне на вода (за производство на водород и кислород), топене на руда, електропокритие и други.“