Onderzoekers in Korea hebben een kathodemateriaal met een hoge capaciteit ontwikkeld dat honderden cycli stabiel kan worden opgeladen en ontladen zonder duur kobalt (Co) te gebruiken. De dag nadert dat elektrische voertuigen lange afstanden kunnen rijden met Li-ion-accu’s.
Professor Byoungwoo Kang en Dr. Junghwa Lee van POSTECH’s Department of Materials Science and Engineering hebben met succes een kathodemateriaal met hoge energiedichtheid ontwikkeld dat lading en ontlading stabiel kan houden gedurende meer dan 500 cycli zonder duur en giftig kobalt. Het onderzoeksteam bereikte dit door de lokale structuur te beheersen door het eenvoudige syntheseproces te ontwikkelen voor het Li-rijke gelaagde materiaal dat de aandacht trekt als het volgende generatie kathodemateriaal met hoge capaciteit. Deze onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in ACS Energy Letters, een tijdschrift op het gebied van energie van de American Chemistry Association.
De kilometerstand en de laad-ontlaadcyclus van een elektrisch voertuig zijn afhankelijk van de unieke eigenschappen van het elektrodemateriaal in de oplaadbare Li-ion-accu. Elektriciteit wordt opgewekt wanneer lithiumionen heen en weer stromen tussen de kathode en de anode. In het geval van Li-rijk gelaagd materiaal neemt het aantal cycli sterk af wanneer een grote hoeveelheid lithium wordt geëxtraheerd en ingebracht. In het bijzonder wanneer een grote hoeveelheid lithium wordt geëxtraheerd en een zuurstofreactie plaatsvindt in een sterk geladen toestand, treedt een structurele ineenstorting op waardoor het onmogelijk wordt om de lading-ontladingseigenschappen of de hoge energiedichtheid gedurende lange cycli te behouden. Deze verslechtering van de kringloopeigenschappen heeft de commercialisering belemmerd.
Het onderzoeksteam had eerder onthuld dat de homogene verdeling van atomen tussen de overgangsmetaallaag en de lithiumlaag van het Li-rijke gelaagde materiaal een belangrijke factor kan zijn bij de activering van elektrochemische reactie- en cycluseigenschappen in Li-rijke gelaagde materialen. Het team voerde vervolgens een volgend onderzoek uit om de syntheseomstandigheden te controleren om de mate van de atomenverdeling in de structuur te vergroten. Met behulp van de eerder gepubliceerde vastestofreactie heeft het team een nieuw, eenvoudig en efficiënt proces ontwikkeld dat een kathodemateriaal kan produceren met een geoptimaliseerde atomaire verdeling.
Als resultaat werd bevestigd dat het gesynthetiseerde Li-rijke gelaagde materiaal een geoptimaliseerde lokale structuur heeft in termen van elektrochemische activiteit en cycluseigenschappen, waardoor een grote hoeveelheid lithium reversibel kan worden gebruikt. Er werd ook bevestigd dat de zuurstofredoxreactie ook honderden cycli stabiel en omkeerbaar werd aangedreven.
Onder deze geoptimaliseerde omstandigheden vertoonde het Co-vrije Li-rijke gelaagde materiaal dat werd gesynthetiseerd 180% hogere omkeerbare energie bij 1.100 Wh / kg dan het conventioneel gecommercialiseerde hoog-nikkel gelaagde materiaal (bijv. LiNi0,8Mn0.1Co0.1O2) met een energiedichtheid van 600 Wh / kg. In het bijzonder, zelfs als een grote hoeveelheid lithium werd verwijderd, werd een stabiele structuur gehandhaafd, waardoor ongeveer 95% capaciteit voor 100 cycli mogelijk was. Bovendien wordt verwacht dat door het handhaven van 83% gedurende 500 cycli, een baanbrekende prestatie wordt verwacht die een stabiel hoog energieverbruik kan behouden gedurende honderden cycli.
“Het belang van deze onderzoeksresultaten is dat de cycluseigenschappen, een van de belangrijke problemen in de volgende generatie Li-rijke gelaagde materialen met hoge capaciteit, drastisch zijn verbeterd door relatief eenvoudige procesveranderingen”, legt professor Byoungwoo Kang van POSTECH. “Dit is opmerkelijk omdat we een stap dichterbij zijn gekomen om de volgende generatie Li-rijke gelaagde materialen op de markt te brengen.”
Junghwa Lee et al, Cyclusstabiliteit op lange termijn mogelijk gemaakt door de opname van Ni in Li2MnO3 Fase in de op Mn gebaseerde Li-Rich Layered Materials, ACS Energy Letters (2021). DOI: 10.1021 / acsenergylett.1c00057
Aangeboden door Pohang University of Science & Technology (POSTECH)