Mangan makeover til lithium-ion-batterier
22 Mar 2021 - lithium-ion batteri energilagring lithium-ion energilagring
Koboltfri katoder kunne bekæmpe forsyningsproblemer ved at bruge et af de billigste metaller, der findes.
Amerikanske forskere har lavet et lithium-ion-batteri, der bruger mangan som katodemateriale i stedet for traditionel kobolt eller nikkel. Arbejdet kunne tilbyde et billigt og rigeligt alternativ til disse stadig dyrere og begrænsede ressourcer, hvilket giver en måde at imødekomme den hurtigt voksende efterspørgsel efter lithium-ion energilagring.
De fleste lithium-ion batteri katoder har været afhængige af kobolt eller nikkel, fordi de nemt holder strukturer lagdelt og ordnet. Men i 2014 viste en gruppe ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) ledet af Gerbrand Ceder, at lithium-ion-batterier med en uordnet struktur kunne fungere, så længe de var rige på lithium, hvilket åbnede muligheden for at afprøve nye, og evt. bedre, materialer.
Ceder og kolleger ved University of California og Lawrence Berkeley National Laboratory, USA, har nu udviklet et lithium-ion-batteri med en forstyrret mangan-baseret katode og vist, at det potentielt kan lagre mere energi end kobolt eller nikkel. "Vores idé var, at hvis vi kunne lave katoder, hvor vi er ligeglade med lagdeling, kunne vi bruge et meget bredere spektrum af metaller," siger hovedforfatter Jinhyuk Lee fra MIT. "Vi besluttede at gå efter mangan, da det er et af de billigste metaller, der findes."
Mangan bruges allerede i traditionelle lagdelte lithium-ion batterikatoder, men som et stabiliserende metal med ringe involvering i elektronlagring. Nylige forsøg på at lave katoder udelukkende af uordnet mangan og andre metaloxider har været begrænset, fordi de bliver ustabile og mister kapacitet på grund af for meget oxygen-redox-aktivitet, når lithium-ioner bevæger sig fra katoden til den lithium-baserede anode under opladning.
For at reducere denne aktivitet og opnå en manganoxidkatode med høj kapacitet fandt Ceders team en måde at få mangan til at udveksle to elektroner, hvilket er hvad nikkelbaserede katoder med høj kapacitet gør i stedet for én. Dette indebar at sænke manganvalensen til Mn2+ ved at erstatte nogle oxygenanioner med lavere valente fluoranioner, mens man byttede nogle mangankationer med højere valente niobium- og titaniumioner. Dette betød, at dobbelt redox af mangankationer kunne forekomme fra Mn2+ til Mn4+, hvilket tillod en høj fraktion af lithiumioner at bevæge sig fra katoden til lithiumanoden uden at blive ustabil.
"Vores laboratorieskala [battericyklustest] resultater viser en meget højere energitæthed for vores katoder (~1000 Wh/kg) sammenlignet med den for eksisterende katoder (600-700 Wh/kg)," siger Ceder. "Men vores data er ikke i kommerciel skala, så yderligere test og optimering af vores materialer bør følge."
"Mens der er behov for yderligere forbedringer i cyklusstabilitet til praktiske anvendelser, lover den rapporterede strategi meget og giver mulighed for en bred udforskning af forskellige højvalente kationer," kommenterer Gleb Yushin, der undersøger energilagring ved Georgia Institute of Technology, USA. "Behovet for at reducere cellespændingen til meget lave værdier kan skabe en barriere for anvendelser af den rapporterede teknologi til elektroniske enheder, men bør ikke være en stor sag for bilindustrien."
Tlf.: 86-0755-33065435
Mail: info@vtcpower.com
Hjemmeside: www.vtcbattery.com
Adresse: No 10, JinLing Road, Zhongkai Industrial Park, Huizhou City, Kina
Hotte søgeord: polymer lithium batteri, polymer lithium batteri producent, Lifepo4 batteri, Lithium-ion Polymer (LiPo) batterier, Li-ion batteri, LiSoci2, NiMH-NiCD batteri, Batteri BMS
Lær mere om brugen af lithium-batterier i dagligdagen, især opladningsenheder og mobiltelefoner, for at undgå eksplosioner forårsaget af for lang opladning
