新しいコバルトフリーのリチウムイオン電池は、性能を犠牲にすることなくコストを削減します

元々はテキサス大学オースティン校のコックレル工科大学で出版されました

テキサス州オースティン—何十年もの間、研究者たちは、コストが高く、鉱業の人権に影響を与えるため、電子機器に電力を供給する高エネルギー電池からコバルトを排除する方法を模索してきました。しかし、過去の試みは、コバルトを使用したバッテリーの性能基準を満たしていません。

画像提供：テキサス大学オースティン校のUT News、これらの粉末サンプルは、コバルトを含まない陰極になるように製造されます。

テキサス大学オースティン校のコックレル工科大学の研究者は、コバルトを含まない高エネルギーリチウムイオン電池のコードを解読し、コバルトを排除し、ブーストしながら電池の製造コストを削減するための扉を開いたと述べています。いくつかの点でパフォーマンス。チームは、新しいクラスのカソード（通常、すべてのコバルトが存在するバッテリーの電極）が高いニッケル含有量によって固定されていることを報告しました。彼らの研究における陰極は89％ニッケルです。マンガンとアルミニウムが他の重要な要素を構成しています。

バッテリーに含まれるニッケルが多いほど、より多くのエネルギーを蓄えることができます。その増加したエネルギー密度は、充電ごとに電話のバッテリー寿命を延ばしたり、電気自動車の航続距離を延ばしたりする可能性があります。

調査結果は今月、ジャーナルAdvancedMaterialsに掲載されました。この論文は、ウォーカー機械工学科の教授であり、テキサス材料研究所の所長であるアルムガム・マンティラムによって書かれました。学生のスティーブン・リーと博士号ワンダ・リー卒業生。

Advanced Materialsからの要約：

高ニッケルLiNi _1-x-y Mn _x Co _y O ₂ （NMC）およびLiNi _1-x-y Co _x Al _y O ₂ （NCA）は、次世代の高エネルギーリチウムイオン電池に最適なカソード材料です。 NMCとNCAの両方にコバルトが含まれています。コバルトは、電気化学的性能に不可欠であると一般に考えられている高価で希少な金属です。ここでは、高Ni LiNi _1-x-y Mn _x Al _y O ₂ 望ましい電気化学的特性の（NMA）カソードは、社内で合成された同一のNi含有量（89 mol％）のNMC、NCA、およびAl–Mg共ドープNMC（NMCAM）に対してベンチマークされていることが実証されています。

わずかに低い比容量にもかかわらず、高NiNMAは約40mV高い電圧で動作し、NMCおよびNCAと比較してレート能力に妥協はありません。グラファイトとペアになったポーチセルでは、高Ni NMAはNMCとNCAの両方を上回り、1000回のディープサイクル後にNMCAMと市販のカソードをわずかに追跡します。さらに、示差走査熱量測定を使用して、NMA、NCA、およびNMCAMに対するNMAの優れた熱安定性が示されています。 NCAやNMCと非常によく似た高NiNMAの組成調整の柔軟性と即時合成スケーラビリティを考慮して、この研究は次世代の高エネルギー、コバルトフリーのリチウムイオン電池のカソード材料開発のための新しいスペースを開きます。

通常、エネルギー密度の増加は、サイクル寿命の短縮などのトレードオフにつながります。つまり、バッテリーの効率が低下して完全に充電できなくなるまでに、バッテリーを充電および放電できる回数です。コバルトを除去すると、通常、バッテリーの動的応答が遅くなり、レート能力が低下します。つまり、カソードの充電または放電の速度が低下します。しかし、研究者たちは、金属の最適な組み合わせを見つけ、イオンの均一な分布を確保することで、短いサイクル寿命と救貧税の能力の問題を克服したと述べました。

リチウムイオン電池のほとんどのカソードは、ニッケル-マンガン-コバルト（NMC）やニッケル-コバルト-アルミニウム（NCA）などの金属イオンの組み合わせを使用します。陰極は電池全体の材料費の約半分を占める可能性があり、コバルトが最も高価な元素です。 1トンあたり約28,500ドルの価格で、ニッケル、マンガン、アルミニウムを合わせたものよりも高価であり、ほとんどのリチウムイオン電池のカソードの10％から30％を占めています。

コバルトは、バッテリーのカソードで最も豊富で最も高価なコンポーネントです」とマンティラム氏は述べています。 「そして、私たちはそれを完全に排除しています。」

研究者の躍進の鍵は、原子レベルで見つけることができます。合成中、彼らはさまざまな金属のイオンがカソードの結晶構造全体に均一に分布したままであることを保証することができました。これらのイオンが集まると、性能が低下し、その問題が以前のコバルトフリーの高エネルギー電池を悩ませてきたとマンティラム氏は述べた。イオンを均等に分散させることで、研究者はパフォーマンスの低下を回避することができました。

私たちの目標は、性能と安全性を維持しながら、コバルトの代わりに豊富で手頃な価格の金属のみを使用することです」とLi氏は述べ、「すぐに拡張可能な工業用合成プロセスを活用することです。」

Manthiram、Li、および元ポスドク研究員のEvan Ericksonは、UTのOffice of Technology Commercializationと協力して、TexPowerというスタートアップを設立し、テクノロジーを市場に投入しました。研究者たちは、主要な電池材料の輸入への依存を減らすことを目指している米国エネルギー省から助成金を受けています。

業界はコバルトフリーの推進に飛びつきました。特に、電気自動車に電力を供給するバッテリーから材料を排除するためのテスラの取り組みです。大規模な政府機関や民間企業がコバルトへの依存を減らすことに重点を置いているため、この追求が競争力を持つようになったのは当然のことです。研究者たちは、材料の適切な組み合わせとその分布の正確な制御に関する革新により、コバルトを含まない高エネルギー電池の他の試みを妨げる問題を回避したと述べました。

サイクル寿命を犠牲にすることなく、エネルギー密度を高め、コストを削減しています」とマンティラム氏は述べています。 「これは、電気自動車の走行距離が長くなり、ラップトップや携帯電話のバッテリー寿命が延びることを意味します。」

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