Mangaankathodes kunnen lithium-ionbatterijen een boost geven

Oplaadbare lithium-ionbatterijen worden steeds populairder en worden gebruikt in apparaten zoals smartphones en laptops, elektrische voertuigen en energieopslagsystemen. Maar de voorraden nikkel en kobalt die gewoonlijk worden gebruikt in de kathodes van deze batterijen zijn beperkt.

Nieuw onderzoek onder leiding van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy opent een potentieel goedkoop, veilig alternatief in mangaan, het vijfde meest voorkomende metaal in de aardkorst. Onderzoekers toonden aan dat mangaan effectief kan worden gebruikt in opkomende kathodematerialen genaamd ongeordende steenzouten, of DRX.

Eerder onderzoek suggereerde dat DRX-materialen, om goed te presteren, vermalen moesten worden tot nanodeeltjes in een energie-intensief proces. Maar de nieuwe studie ontdekte dat kathoden op mangaanbasis daadwerkelijk kunnen excelleren met deeltjes die ongeveer 1000 keer groter zijn dan verwacht.

Het werk werd op 19 september gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie.

“Er zijn veel manieren om elektriciteit op te wekken met hernieuwbare energie, maar het belangrijkste is hoe je het opslaat.” aldus Han-Ming Hau, die onderzoek doet naar batterijtechnologie bij Berkeley Lab’s Ceder Group en promovendus is aan de UC Berkeley.

“Door onze nieuwe aanpak toe te passen, kunnen we een materiaal gebruiken dat zowel op aarde overvloedig als goedkoop is, en dat minder energie en tijd kost om te produceren dan sommige gecommercialiseerde Li-ion batterij kathode materialen. En het kan net zoveel energie opslaan en net zo goed werken.”

De onderzoekers gebruikten een nieuw tweedaags proces dat eerst lithiumionen uit het kathodemateriaal verwijdert en het vervolgens verhit bij lage temperaturen (ongeveer 200 graden Celsius). Dit staat in contrast met het bestaande proces voor op mangaan gebaseerde DRX-materialen, dat meer dan drie weken behandeling vergt.

Onderzoekers gebruikten state-of-the-art elektronenmicroscopen om atomaire-schaalbeelden van het op mangaan gebaseerde materiaal in actie vast te leggen. Ze ontdekten dat na toepassing van hun proces het materiaal een nanoschaal semi-geordende structuur vormde die de batterijprestaties daadwerkelijk verbeterde, waardoor het dicht op elkaar energie kon opslaan en leveren.

Het team gebruikte ook verschillende technieken met röntgenstralen om te bestuderen hoe batterijcycli chemische veranderingen in mangaan en zuurstof op macroscopisch niveau veroorzaken. Door te bestuderen hoe het mangaanmateriaal zich op verschillende schalen gedraagt, opent het team verschillende methoden voor het maken van op mangaan gebaseerde kathodes en inzichten in nano-engineering van toekomstige batterijmaterialen.

“We hebben nu een beter begrip van de unieke nanostructuur van het materiaal,” Hau zei, “en een syntheseproces om deze ‘faseverandering’ in het materiaal te veroorzaken die de elektrochemische prestaties verbetert. Het is een belangrijke stap die dit materiaal dichter bij batterijtoepassingen in de echte wereld brengt.”