Baterie litowo-jonowe na bazie manganu zmienią oblicze samochodów elektrycznych

Naukowcom udało się opracować zrównoważony akumulator litowo-jonowy wykorzystujący mangan, który może zrewolucjonizować przemysł pojazdów elektrycznych.

Opublikowano w Centrum Nauki ACSBadanie podkreśla przełom w zastosowaniu nanocząstkowego LiMnO₂ Z symetrią jednoskośną, która poprawia wydajność i stabilność akumulatora bez typowej degradacji napięcia. Ta innowacja nie tylko zwiększa możliwości szybkiego ładowania, ale także rozwiązuje długotrwały problem rozpuszczania manganu.

Baterie litowo-jonowe na bazie manganu

Baterie litowo-jonowe (lub Li-ion) mają ogromne znaczenie w świecie akumulatorów. W miarę jak pojazdy elektryczne stają się coraz bardziej powszechne na świecie, niedrogie akumulatory o dużej mocy, w których wykorzystuje się mangan (Mn) w dużych ilościach, mogą stanowić zrównoważoną opcję, która stanie się dostępna na rynku i będzie stosowana w przemyśle motoryzacyjnym.

Obecnie akumulatory używane do zasilania pojazdów elektrycznych opierają się na niklu i kobalcie, które mogą być drogie i niezrównoważone dla społeczeństwa, w którym rośnie zapotrzebowanie na pojazdy elektryczne. Przekształcając materiały elektrod w materiały na bazie litu i manganu, badacze dążą do utrzymania wysokiej wydajności materiałów na bazie niklu i kobaltu, ale przy niskich i zrównoważonych kosztach.

Naukowcy opublikują swoje wyniki dzisiaj (26 sierpnia). Centrum Nauki ACS.

Innowacje w materiałach elektrodowych

Baterie litowo-jonowe nie są nowym graczem w dziedzinie elektroniki wielokrotnego ładowania, ale zawsze istnieją sposoby na wprowadzenie innowacji i ulepszenie już niezawodnych metod. LiMnO2₂ Materiał elektrody był badany w przeszłości, ale zawsze był ograniczany przez restrykcyjne parametry elektrody.

„Systematycznie badając różne typy LiMnO₂ Stwierdzono, że polimorficzna, jednoskośna domena laminarna skutecznie aktywuje przejście strukturalne do fazy spinelowej. W wyniku tego odkrycia otrzymano nanocząstki LiMnO₂ „Materiał o jednoskośnej warstwowej strukturze domeny i dużej powierzchni został zsyntetyzowany bezpośrednio za pomocą prostej reakcji w stanie stałym” – powiedział Naoki Yabuchi, autor i badacz badania.

Przełom w jednoskośne struktury LiMnO2

Układ jednoskośny odnosi się do typu symetrii grupowej struktury stałego kryształu. Ułożenie Li/Mn z symetrią jednoskośną wydaje się być kluczem do wytworzenia LiMnO₂ Możliwość wyboru materiału anody. Bez strukturalnej przemiany fazowej, na którą pozwala pole jednoskośne, działanie elektrody byłoby ograniczone ze względu na nieidealną strukturę krystaliczną LiMnO.₂ I towarzyszące im transformacje etapowe.

Poprawa wydajności akumulatorów pojazdów elektrycznych

Po obserwacji i przetestowaniu wielu wariantów zidentyfikowano pożądaną konstrukcję, którą można wytworzyć bezpośrednio z dwóch komponentów, bez konieczności stosowania etapu pośredniego. Powstały materiał jest konkurencyjny w stosunku do materiałów warstwowych na bazie niklu i ma doskonałe możliwości szybkiego ładowania, co jest niezbędne w pojazdach elektrycznych.

Nanocząstki LiMnO₂ Jednoskośna warstwowa kula jest wytwarzana w prostym procesie kalcynacji w celu wytworzenia produktu o wysokiej gęstości energii do 820 watogodzin na kilogram (Wh kg).^-1), w porównaniu do około 750 Wh kg^-1 Do materiałów warstwowych na bazie niklu i 500 W/kg^-1 Do innych tanich materiałów na bazie litu.

Stabilność i trwałość nanoLiMnO2

Nie zgłoszono również żadnej degradacji napięcia w przypadku nanocząstek LiMnO₂co jest powszechne w materiałach na bazie manganu. Zanik napięcia to zjawisko, w którym napięcie stopniowo maleje, zmniejszając z czasem wydajność i responsywność elektroniki. Nie wydaje się to jednak zauważalnym problemem w przypadku nanocząstek LiMnO₂co jest przedmiotem badania.

Radzenie sobie z praktycznymi wyzwaniami

Pomimo obiecujących wyników można zauważyć problem praktyczny: degradację manganu. Z biegiem czasu mangan może ulegać degradacji pod wpływem wielu czynników, takich jak zmiany fazowe lub reakcja z roztworami kwasowymi. Na szczęście problem ten można zmniejszyć lub całkowicie wyeliminować, stosując roztwór elektrolitu o wysokim stężeniu i powłokę z fosforanu litu.

Naukowcy mają nadzieję, że ich wyniki przyczynią się do znalezienia bardziej zrównoważonego źródła energii niż paliwa kopalne, zwłaszcza w odniesieniu do pojazdów elektrycznych.₂Materiał ten, charakteryzujący się konkurencyjną gęstością energii w porównaniu z materiałami na bazie niklu, pokazuje potencjał, jaki mają alternatywne materiały do ​​wytwarzania przyjaznych dla środowiska i zrównoważonych produktów zarówno w procesie produkcji, jak i jako inwestycja długoterminowa. Idealny receptor dla nanoLiMnO₂Materiały elektrodowe na bazie miedzi będą wymagały komercjalizacji i produkcji przemysłowej w branży luksusowych pojazdów elektrycznych.

Odniesienie: „Praktyczny, trwały, niezawierający niklu i kobaltu, wysokoenergetyczny materiał elektrodowy: nanoLiMnO2” 26 sierpnia 2024 r., Centrum Nauki ACS.
doi: 10.1021/accentsci.4c00578

Yuka Miyoka, Yuna Oguro, Yusuke Ogata i Nawaki Yabuchi z Wydziału Chemii i Nauk Przyrodniczych na Uniwersytecie Narodowym w Jokohamie, wraz z Yusuke Ogatą i Nawaki Yabuchi również z Centrum Zaawansowanych Badań nad Energią Chemiczną na Uniwersytecie Narodowym w Jokohamie, Takahito Sato z Wydziału Applied Chemistry na Tokyo Denki University oraz Sakaya Kondo, Koki Nakano i Masanobu Nakayama z Frontier Research Institute for Materials Science w Nagoya Institute of Technology, Damian Goonetilke i Neeraj Sharma ze School of Chemistry na University of New South Wales oraz Aleksiej M. Głuczenkowa ze Szkoły Badawczej Chemii na Uniwersytecie Narodowym w Jokohamie. Australijski Uniwersytet NarodowyWkład w te badania wnieśli Satoshi Hiroyi i Koji Uehara ze Szkoły Materiałów dla Energii na Uniwersytecie Shimane oraz Koji Takada i Yasuhiro Fujii z Tosu Corporation.

Program JSPS, Grant-in-Aid for Scientific Research, JST, MEXT: Projekt badawczo-rozwojowy dotyczący tworzenia i wykorzystania materiałów typu Data Creation and Utilization-Type R&D, JST Adopcja zrównoważonych partnerstw na rzecz innowacyjnego ekosystemu badawczego (ASPIRE), JST Program Green Technologies for Excellence (GteX) oraz Australijska Rada ds. Badań, Komitet Doradczy ds. Programu Fabryki Fotonów, Japoński Instytut Badań nad Promieniowaniem Synchrotronowym (JASRI), Centrum Promieniowania Synchrotronowego w Aichi oraz Australijska Organizacja Nauki i Technologii Jądrowej (ANSTO) przeprowadziły te badania.