Батерия без кобалт обещава по-чиста, по-екологична енергия и дълготрайна употреба

Висококапацитетните и надеждни акумулаторни батерии са критичен компонент на много устройства и дори видове транспорт. Те играят ключова роля в преминаването към по-зелен свят. В тяхното производство се използват голямо разнообразие от елементи, включително кобалт, производството на който допринася за някои екологични, икономически и социални проблеми. За първи път екип, включващ изследователи от Токийския университет, представя жизнеспособна алтернатива на кобалта, която в някои отношения може да надмине най-съвременната химия на батериите. Батерията без кобалт преживява голям брой цикли на презареждане и може да има разнообразно приложение. Това съобщава Токийският университет, цитиран от ScienceDaily.

Шансовете са, че четете тази статия на лаптоп или смартфон, а ако не, вероятно притежавате поне един от тях, отбелязва изданието и представя разработката по материали, предоставени от Токийския университет. Ето подробностите:

Във всяко устройство, както и в много други, ще намерите литиево-йонна батерия (LIB). От десетилетия LIBs са стандартният начин за захранване на преносими или мобилни електронни устройства и машини. Тъй като светът преминава от изкопаеми горива, те се разглеждат като важна стъпка за използване в електрически автомобили и домашни батерии за тези със слънчеви панели. Но точно както батериите имат положителен и отрицателен край, LIB имат отрицателни точки, поставени срещу техните положителни.

От една страна, въпреки че те са едни от наличните преносими източници на енергия с най-висока мощност, много хора желаят LIB да могат да осигурят по-голяма енергийна плътност, за да издържат по-дълго или да захранват дори по-взискателни машини. Освен това те могат да издържат на голям брой цикли на презареждане, но също така се разграждат с времето; би било по-добре за всички, ако батериите могат да издържат на повече цикли на презареждане и да запазят капацитета си за по-дълго време. 

Но може би най-тревожният проблем с настоящите LIB се крие в един от елементите, използвани за тяхното изграждане - кобалтът.

Кобалтът се използва широко за ключова част от LIBs, електродите. Всички батерии работят по подобен начин: два електрода, един положителен и един отрицателен, насърчават потока от литиеви йони между тях в така наречения електролит, когато са свързани към външна верига. Кобалтът обаче е рядък елемент; всъщност толкова рядък, че в момента има само един основен източник за него - серия от мини, разположени в Демократична република Конго. През годините са докладвани много въпроси относно екологичните последици от тези мини, както и условията на труд там, включително използването на детски труд. От гледна точка на доставките източникът на кобалт също е проблем поради политическата и икономическа нестабилност в региона.

„Има много причини, поради които искаме да се откажем от използването на кобалт, за да подобрим литиево-йонните батерии“, каза професор Ацуо Ямада от катедрата по инженерство на химическа система. „За нас предизвикателството е техническо, но въздействието му може да бъде екологично, икономическо, социално и технологично. Имаме удоволствието да съобщим за нова алтернатива на кобалта чрез използване на нова комбинация от елементи в електродите, включително литий, никел, манган , силиций и кислород - всички много по-често срещани и по-малко проблемни елементи за производство и работа."

Новите електроди и електролит, които проф. Ямада и неговият екип създадоха, не само са лишени от кобалт, но те всъщност подобряват текущата химия на батерията по някакъв начин. Енергийната плътност на новите LIB е с около 60% по-висока, което може да се равнява на по-дълъг живот, и може да достави 4,4 волта, за разлика от около 3,2-3,7 волта на типичните LIB. Но едно от най-изненадващите технологични постижения беше подобряването на характеристиките за презареждане. Тестовите батерии с новата химия успяха да заредят и разредят напълно за повече от 1000 цикъла (симулиращи три години пълно използване и зареждане), като същевременно загубиха само около 20% от капацитета си за съхранение.

„Възхитени сме от резултатите досега, но достигането дотук не беше лишено от предизвикателства. Това беше борба, опитвайки се да потиснем различни нежелани реакции, които се случваха в ранните версии на нашите нови химикали на батериите, които можеха драстично да намалят дълготрайността на батерии", каза проф. Ямада. „И все още имаме да извървим някакъв път, тъй като има все още незначителни реакции за смекчаване, за да се подобри още повече безопасността и дълголетието. В момента сме уверени, че това изследване ще доведе до подобрени батерии за много приложения, но някои, където се изисква изключителна издръжливост и продължителност на живота, може все още да не са удовлетворени."

Въпреки че проф. Ямада и неговият екип проучваха приложения в LIBs, концепциите, които са в основата на тяхното скорошно развитие, могат да бъдат приложени към други електрохимични процеси и устройства, включително други видове батерии, разлагане на вода за производство на водород и кислород, топене на руда, електропокритие и още приложения.

За повече информация, запознайте се с пубиликацията в Nature Sustainability на Seongjae Ko, Xiao Han, Tatau Shimada, Norio Takenaka, Yuki Yamada, Atsuo Yamada "Електролитен дизайн за литиево-йонни батерии с катод без кобалт и анод от силициев оксид", достъпна ТУК.