Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Риджа разработали новое семейство катодов, способных заменить дорогостоящие катоды на основе кобальта, обычно используемые в современных литий-ионных батареях, питающих электромобили и бытовую электронику.

Новый класс под названием NFA, который расшифровывается как катод на основе никеля, железа и алюминия, является производным никелата лития и может быть использован для изготовления положительного электрода литий-ионного аккумулятора. Эти новые катоды рассчитаны на быструю зарядку, высокую плотность энергии, экономичность и длительный срок службы.

С ростом производства портативной электроники и электромобилей во всем мире литий-ионные аккумуляторы пользуются большим спросом. По словам Илиаса Белхаруака, ученого ORNL, ведущего исследования и разработки NFA, ожидается, что к 2030 году на дорогах появится более 100 миллионов электромобилей. Кобальт-это металл, необходимый в настоящее время для катода, который составляет значительную часть стоимости литий-ионного аккумулятора.

Кобальт встречается редко и в основном добывается за рубежом, что затрудняет приобретение и производство катодов. В результате поиск альтернативного кобальту материала, который можно было бы производить экономически эффективно, стал приоритетом исследований литий-ионных аккумуляторов.

Ученые ORNL проверили производительность катодов класса NFA и определили, что они являются перспективными заменителями катодов на основе кобальта, как описано в Advanced Materials и Journal of Power Sources. Исследователи использовали дифракцию нейтронов, Мессбауэровскую спектроскопию и другие передовые методы определения характеристик для изучения атомных и микроструктур НФА, а также электрохимических свойств.

"Наши исследования зарядного и разрядного поведения NFA показали, что эти катоды проходят те же электрохимические реакции, что и катоды на основе кобальта, и обеспечивают достаточно высокую удельную емкость для удовлетворения требований к плотности энергии батареи",-сказал Белхаруак.

Хотя исследования класса NFA находятся на ранней стадии, Белхаруак сказал, что предварительные результаты его команды на сегодняшний день указывают на то, что кобальт может не понадобиться для литий-ионных батарей следующего поколения.

"Мы разрабатываем катод, который имеет аналогичные или лучшие электрохимические характеристики, чем катоды на основе кобальта, при использовании более дешевого сырья", - сказал он.

Белхаруак добавил, что не только NFA работает так же хорошо, как катоды на основе кобальта, но и процесс производства катодов NFA может быть интегрирован в существующие глобальные процессы производства катодов.

"Никелат лития уже давно исследуется в качестве материала выбора для изготовления катодов, но он страдает от внутренней структурной и электрохимической нестабильности", - сказал он. "В наших исследованиях мы заменили часть никеля железом и алюминием, чтобы повысить стабильность катода. Железо и алюминий являются экономически эффективными, устойчивыми и экологически чистыми материалами."

Будущие исследования и разработки по классу NFA будут включать тестирование материалов в крупноформатных ячейках для проверки результатов лабораторных исследований и дальнейшего изучения пригодности этих катодов для использования в электромобилях.

ИСТОЧНИК