원문은 텍사스 오스틴에 있는 코크렐 공과대학에서 발행됨
텍사스 오스틴 — 수십 년 동안 연구원들은 높은 비용과 채굴로 인한 인권 문제로 인해 전자 장치에 전원을 공급하는 고에너지 배터리에서 코발트를 제거하는 방법을 모색해 왔습니다. 그러나 과거의 시도는 코발트를 사용한 배터리의 성능 표준에 미치지 못했습니다.
이미지 제공:텍사스 대학교 오스틴 소재 UT News, 이 분말 샘플은 코발트가 없는 음극이 되도록 제작됩니다.
오스틴에 있는 텍사스 대학의 코크렐 공과 대학의 연구원들은 코발트가 없는 고에너지 리튬 이온 배터리에 대한 코드를 해독하여 코발트를 제거하고 배터리 생산 비용을 줄이는 동시에 어떤 면에서 성능. 팀은 높은 니켈 함량으로 고정된 새로운 종류의 음극(일반적으로 모든 코발트가 상주하는 배터리의 전극)을 보고했습니다. 그들의 연구에서 음극은 89% 니켈입니다. 망간과 알루미늄은 다른 핵심 요소를 구성합니다.
배터리에 니켈이 많을수록 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 증가된 에너지 밀도는 휴대전화의 배터리 수명을 늘리거나 전기 자동차의 경우 충전할 때마다 더 넓은 범위로 이어질 수 있습니다.
이 연구 결과는 이번 달 Advanced Materials 저널에 실렸습니다. 이 논문은 워커 기계공학부 교수이자 텍사스 재료연구소 소장인 Arumugam Manthiram 박사가 작성했습니다. 학생 Steven Lee와 Ph.D. 졸업 리 왕다.
고급 재료의 초록:
<블록 인용>고니켈 LiNi1−x−y Mnx 공동y O2 (NMC) 및 LiNi1−x−y cox 알y O2 (NCA)는 차세대 고에너지 리튬 이온 배터리에 선택되는 양극재입니다. NMC와 NCA 모두 일반적으로 전기화학적 성능에 필수적인 것으로 여겨지는 비싸고 희소한 금속인 코발트를 함유하고 있습니다. 여기서 높은 Ni LiNi1−x−y Mnx 알y O2 바람직한 전기화학적 특성의 (NMA) 음극은 NMC, NCA 및 사내에서 합성된 동일한 Ni 함량(89mol%)의 Al-Mg-코도핑된 NMC(NMCAM)에 대해 벤치마킹된 것으로 입증되었습니다.
비용량이 약간 낮음에도 불구하고 high-Ni NMA는 ≈40mV의 더 높은 전압에서 작동하며 NMC 및 NCA에 비해 속도 성능이 저하되지 않습니다. 흑연과 쌍을 이루는 파우치 셀에서 높은 Ni NMA는 NMC와 NCA를 능가하고 1000번의 깊은 사이클 후에 NMCAM과 상업용 음극을 약간만 뒤쫓습니다. 또한 NMC, NCA 및 NMCAM에 대한 NMA의 우수한 열 안정성은 시차 주사 열량계를 사용하여 표시됩니다. NCA 및 NMC와 매우 유사한 high-Ni NMA의 조성 조정의 유연성 및 즉각적인 합성 확장성을 고려할 때, 본 연구는 차세대 고에너지, 코발트 없는 리튬 이온 배터리를 위한 양극 재료 개발을 위한 새로운 공간을 엽니다. 엠>
일반적으로 증가된 에너지 밀도는 더 짧은 주기 수명과 같은 절충안으로 이어집니다. 즉, 배터리가 효율성을 잃고 더 이상 완전히 충전될 수 없을 때까지 충전 및 방전될 수 있는 횟수입니다. 코발트를 제거하면 일반적으로 배터리의 운동 반응이 느려지고 음극이 얼마나 빨리 충전 또는 방전될 수 있는지에 따라 속도 성능이 저하됩니다. 그러나 연구원들은 금속의 최적 조합을 찾고 이온의 균일한 분포를 보장함으로써 짧은 주기 수명과 열악한 속도 성능 문제를 극복했다고 말했습니다.
대부분의 리튬 이온 배터리용 음극은 NMC(니켈-망간-코발트) 또는 NCA(니켈-코발트-알루미늄)와 같은 금속 이온의 조합을 사용합니다. 음극은 전체 배터리에 대한 재료 비용의 대략 절반을 차지할 수 있으며 코발트는 가장 값비싼 요소입니다. 톤당 약 $28,500의 가격으로 니켈, 망간, 알루미늄을 합친 것보다 비싸며 대부분의 리튬 이온 배터리 양극의 10~30%를 차지합니다.
<블록 인용>코발트는 배터리 음극에서 가장 덜 풍부하고 가장 비싼 성분입니다.”라고 Manthiram은 말했습니다. "그리고 우리는 그것을 완전히 없애고 있습니다."
연구원들의 돌파구의 열쇠는 원자 수준에서 찾을 수 있습니다. 합성하는 동안 다양한 금속의 이온이 음극의 결정 구조 전체에 고르게 분포되어 있는지 확인할 수 있었습니다. 이러한 이온이 뭉치면 성능이 저하되고 그 문제는 이전의 코발트가 없는 고에너지 배터리를 괴롭혔다고 Manthiram은 말했습니다. 이온이 고르게 분포되도록 유지함으로써 연구원들은 성능 손실을 피할 수 있었습니다.
<블록 인용>우리의 목표는 성능과 안전성을 유지하면서 풍부하고 저렴한 금속만을 사용하여 코발트를 대체하고 즉시 확장 가능한 산업 합성 공정을 활용하는 것입니다.
Manthiram, Li 및 전 박사 후 연구원인 Evan Erickson은 UT의 Office of Technology Commercialization과 협력하여 TexPower라는 신생 기업을 설립하여 기술을 시장에 출시했습니다. 연구원들은 주요 배터리 재료에 대한 수입 의존도를 낮추기 위해 노력해 온 미국 에너지부로부터 보조금을 받았습니다.
업계는 코발트를 사용하지 않는 정책에 뛰어들었습니다. 특히 Tesla는 전기차에 전력을 공급하는 배터리에서 재료를 제거하려는 노력을 기울였습니다. 대규모 정부 기관과 민간 기업이 코발트에 대한 의존도를 줄이는 데 중점을 두고 있기 때문에 이러한 노력이 경쟁력을 갖게 된 것은 놀라운 일이 아닙니다. 연구원들은 올바른 재료 조합과 정확한 분포 제어에 대한 혁신을 통해 코발트가 없는 고에너지 배터리에 대한 다른 시도를 방해하는 문제를 피했다고 말했습니다.
<블록 인용>우리는 사이클 수명을 희생하지 않으면서 에너지 밀도를 높이고 비용을 낮추고 있습니다.”라고 Manthiram이 말했습니다. "이는 전기 자동차의 경우 더 긴 주행 거리를 제공하고 노트북과 휴대전화의 경우 더 나은 배터리 수명을 의미합니다."
이미지 제공:텍사스 대학교 오스틴 소재 UT News, 이 분말 샘플은 무코발트 음극이 되도록 제작됩니다.배터리 성능 저하
