بر اساس تحقیقات جدید به رهبری اداره ملی شمال غربی وزارت انرژی اقیانوس آرام، یک تغییر به ظاهر ساده در تولید باتری‌های لیتیوم یونی می‌تواند سود زیادی داشته باشد و توانایی خودروهای الکتریکی (EVs) برای ذخیره انرژی بیشتر در هر بار شارژ و تحمل چرخه‌های شارژ بیشتر را بهبود بخشد. آزمایشگاه.
برد یک EV به انرژی تامین شده توسط هر یک از سلول های سازنده باتری آن بستگی دارد. برای سلول‌های لیتیوم یونی که بر بازار باتری EV تسلط دارند، هم ظرفیت انرژی در سطح سلول و هم هزینه سلول توسط الکترود یا کاتد مثبت محدود می‌شود.
اکنون، این گلوگاه ممکن است به لطف یک رویکرد نوآورانه و مقرون به صرفه برای سنتز کاتدهای تک کریستالی، پرانرژی و غنی از نیکل باز شود. به تازگی منتشر شده در مواد ذخیره انرژی.
باتری غنی از نیکل
کاتد برای EV های معمولی باتری ها از کوکتل اکسیدهای فلزی استفاده کنید – اکسیدهای کبالت لیتیوم نیکل منگنز (LiNi)1/3منگنز1/3شرکت1/3O2، به اختصار NMC. هنگامی که نیکل بیشتری در کاتد گنجانده شود، توانایی باتری برای ذخیره انرژی و در نتیجه برد EV را تا حد زیادی افزایش می دهد. در نتیجه، NMC غنی از نیکل (مانند NMC811، که در آن “8” مخفف 80٪ نیکل است) از علاقه و اهمیت زیادی برخوردار است.
با این حال، کاتدهای NMC با نیکل بالا که با روش استاندارد تشکیل شده‌اند، به ساختارهای پلی کریستالی خشن و توده‌ای تبدیل می‌شوند. این بافت کوفته مانند مزایای خود را نسبت به NMC معمولی دارد. با این حال، برای NMC811 و فراتر از آن، ترک‌های لامپ پلی‌کریستال‌ها تمایل به شکافتن دارند و باعث شکست مواد می‌شوند. این باعث می شود باتری ها ساخته شده با استفاده از این کاتدهای غنی از نیکل مستعد ترک خوردن. آنها همچنین شروع به تولید گاز کرده و سریعتر از کاتدهایی با نیکل کمتر تجزیه می شوند.
چالش ها در سنتز تک کریستال NMC811
یک استراتژی برای حل این مشکل: تبدیل NMC توده‌ای و چند کریستالی به شکل صاف و تک بلوری با حذف مرزهای مشکل‌ساز بین کریستال‌ها – اما گفتن این تبدیل آسان‌تر از انجام آن است. در آزمایشگاه‌ها، تک بلورها در محیط‌هایی مانند نمک‌های مذاب یا واکنش‌های هیدروترمال که سطوح کریستالی صاف را تولید می‌کنند، رشد می‌کنند. با این حال، این رسانه ها برای ساخت کاتد واقعی، جایی که روش های حالت جامد ارزان قیمت ترجیح داده می شوند، کاربردی نیستند.
در این روش‌های معمولی حالت جامد، یک کاتد NMC با مخلوط کردن یک پیش‌ساز هیدروکسید فلز با نمک لیتیوم، مخلوط کردن و گرم کردن مستقیم این هیدروکسیدها، و تولید NMC چند بلوری آگلومره (به صورت توده‌ای) تهیه می‌شود. استفاده از فرآیند گرمایش چند مرحله ای باعث ایجاد کریستال هایی به اندازه میکرون می شود، اما آنها هنوز هم تجمع یافته اند، بنابراین عوارض جانبی ناخواسته باقی می مانند.
تصمیم PNNL
به رهبری کارشناسان باتری PNNL و با همکاری شرکت آلبمارلتیم تحقیقاتی با معرفی مرحله پیش گرمایش که ساختار و خواص شیمیایی هیدروکسید فلز واسطه را تغییر می دهد، این مشکلات را حل کرد. هنگامی که هیدروکسید فلز واسطه از قبل گرم شده با نمک لیتیوم واکنش می دهد و یک کاتد تشکیل می دهد، ساختار NMC تک کریستالی یکنواختی ایجاد می کند که حتی در زیر بزرگنمایی صاف به نظر می رسد.
فرآیند گرمایش یک مرحله ای پیش سازها ساده به نظر می رسد، اما انتقال فاز بسیار جالبی در سطح اتمی برای امکان پذیر ساختن تک بلورها وجود دارد. یوجینگ بیاولین نویسنده از کاغذ. همچنین برای پذیرش صنعت مناسب است.
در مطالعه خود، محققان اکنون با استفاده از نمک لیتیوم ارائه شده توسط Albemarle، این تک کریستال NMC811 را به میزان کیلوگرم افزایش می دهند. تک بلورهای مقیاس‌شده در سلول‌های کیسه‌ای 2Ah Li-ion با استفاده از یک آند گرافیتی استاندارد آزمایش شدند تا اطمینان حاصل شود که عملکرد باتری عمدتاً توسط کاتد جدید دیکته می‌شود.
اولین نمونه اولیه باتری مجهز به تک کریستال های مقیاس شده حتی پس از 1000 چرخه شارژ و دشارژ پایدار بود. هنگامی که محققان ساختار میکروسکوپی کریستال ها را پس از 1000 چرخه بررسی کردند، هیچ نقصی پیدا نکردند و ساختار الکترونیکی کاملاً همسویی پیدا کردند.
این یک پیشرفت مهم است که لیتیوم را با بالاترین چگالی انرژی فعال می کند باتری ها بدون تخریب استفاده شود.» استن ویتینگهام، برنده جایزه نوبل و استاد برجسته شیمی در دانشگاه بینگهمتون. علاوه بر این، این پیشرفت از نظر طولانی مدت باتری ها برای استفاده از آنها در وسایل نقلیه متصل به شبکه برای پایدارتر شدن و حمایت از منابع انرژی تجدیدپذیر پاک بسیار مهم است.
روش سنتز یک کاتد تک کریستالی و غنی از نیکل هم نوآورانه و هم مقرون به صرفه است. همچنین گسترش آن آسان است، زیرا یک رویکرد پلاگین است که به تولیدکنندگان کاتد اجازه می دهد تا از امکانات تولیدی موجود برای تولید راحت NMC811 تک کریستال – و حتی کاتدهایی با بیش از 80 درصد نیکل استفاده کنند.
گفت: “این یک مسیر اساسی جدید برای تولید در مقیاس بزرگ مواد کاتدی تک کریستال است.” جی شیائو، محقق اصلی پروژه و Battelle Fellow در PNNL. این کار تنها بخشی از فناوری کاتدی است که ما در PNNL در حال توسعه هستیم. با همکاری Albemarle، ما به چالش‌های علمی در سنتز و مقیاس‌بندی تک‌کریستال‌ها و کاهش هزینه‌های تولید، با شروع مواد خام، رسیدگی می‌کنیم.
استقرار سریع فناوری باتری EV
در مرحله تحقیقاتی که باید از اوایل سال 2024 شروع شود. PNNL با همکاری با شرکای صنعت و دانشگاه، برای تحقق بخشیدن به ترکیب در مقیاس تجاری کار خواهد کرد و آزمایش با نگاه به سمت تولید.
برای دستیابی به این سریع، آنها از تجهیزات و تکنیک‌های تولید متعارف استفاده می‌کنند که به صورت صنعتی برای شامل رویکرد افزایش مقیاس PNNL (و همچنین چندین نوآوری دیگر که هزینه‌ها و تولید زباله را بیشتر کاهش می‌دهند) سازگار شده‌اند.
شیائو گفت: «در طول سنتز تک کریستال در سطح کیلوگرم، ما دنیای کاملاً جدیدی پر از چالش‌ها و فرصت‌های علمی و مهندسی را شناسایی کردیم. “ما هیجان زده هستیم که این دانش جدید را برای تسریع فرآیند تولید در مقیاس تجاری به کار ببریم.”
شیائو گفت: “ما با صنعت رقابت نمی کنیم.” “در واقع، ما با رهبران صنعت مانند Albemarle همکاری می کنیم تا فعالانه به چالش های علمی رسیدگی کنیم تا صنعت بتواند کل فرآیند را بر اساس درس ها و دانشی که در طول مسیر آموخته ایم، مقیاس کند.”
این کار توسط دفتر کارایی انرژی و انرژی های تجدیدپذیر وزارت انرژی، دفتر مواد پیشرفته و فناوری های ساخت و دفتر فناوری های خودرو پشتیبانی می شود.
