Кобальт в батареях - альтернатива и замена

Литий-ионные батареи стали популярны за последнее десятилетие благодаря их высокой мощности и небольшому размеру. Тем не менее их популярность оказывает давление на поставки никеля и кобальта. Это два металла, необходимые для литиевых батарей. В результате цены на некоторые металлы выросли в четыре раза. Поскольку кобальт является наиболее дорогостоящим материалом, используемым в аккумуляторах, его удаление из смеси должно было позволить электромобилям стать такими же дешевыми, как автомобили, работающие на газе. Этот материал используется в литий-ионных батареях, которые используются в электромобилях, и спрос на него постоянно растет.

3.2V 20A Низкотемпературная батарея LiFePO4 -40℃ 3C Разрядная емкость ≥70% Температура зарядки: -20~45℃ Температура разрядки: -40~+55℃ пройти тест на иглоукалывание -40℃ максимальная скорость разряда: 3C

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ

Ограничения в отношении источников кобальта, который в основном поступает из Демократической Республики Конго, требуют поиска менее дорогих и более распространенных альтернатив с эквивалентными характеристиками, чему уделяется все большее внимание. Неопределенная политическая ситуация в Конго и соседних странах также привела к колебаниям цен, которые вызывают беспокойство у производителей.

Помимо денежных затрат, добыча металла также связана с человеческими издержками. Демократическая Республика Конго производит 60% мировых запасов, что связано с детским трудом и человеческими жертвами.

Альтернативы кобальту в батареях

Работа с другим аккумулятором поставит новые задачи. Попытка использовать меньше кобальта в батареях увеличила спрос на другой металл, который может его заменить:

1. никель

Производители пытались увеличить количество никеля, используемого в аккумуляторах электромобилей, чтобы повысить плотность энергии, одновременно уменьшая использование кобальта для снижения цен. Наличие большего количества никеля в батарее указывает на то, что она может хранить больше энергии. С каждой зарядкой улучшенная плотность энергии может привести к увеличению срока службы батареи для телефона или увеличения дальности действия для электромобиля.

Однако увеличение процентного содержания никеля снижает стабильность батареи, что влияет на срок службы и возможность быстрой зарядки. Нет лучшего элемента для увеличения плотности энергии, чем никель, и лучшего элемента для сохранения стабильности материала, чем кобальт », - говорит генеральный директор Umicore Марк Гринберг.

Низкотемпературный прочный полимерный аккумулятор для ноутбука с высокой плотностью энергии Спецификация аккумулятора: 11,1 В 7800 мАч -40 ℃ 0,2 C разрядная емкость ≥80% Пыленепроницаемый, устойчивый к падению, антикоррозийный, антиэлектромагнитный

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ

2. литий-железо-фосфатный

Литий-железо-фосфатные батареи значительно дешевле и не имеют таких проблем с окружающей средой, как батареи, требующиеся кобальтом. Для автомобилей малой дальности, произведенных в Китае, Tesla решила использовать литий-железо-фосфатный вместо кобальта. Эти батареи имеют более низкую плотность энергии, и это недостаток, ограничивающий расстояние, на которое автомобиль может проехать, прежде чем потребуется подзарядка. Другие китайские компании, в частности BYD, крупнейший в мире производитель электромобилей, уже используют литий-железо-фосфатные батареи. Если больше производителей электромобилей последуют этому примеру в глобальном масштабе, мы сможем уменьшить нашу зависимость от ограниченных запасов полезных ископаемых.

3. фторид железа

Исследователи Технологического института Джорджии создали новый катод из фторида железа и нанокомпозита с твердым полимерным электролитом. Емкость фторидов железа более чем вдвое больше, чем у типичных катодов на основе кобальта или никеля. Кроме того, стоимость железа составляет одну треть от стоимости кобальта и одну пятую от стоимости никеля. Исследователи создали такой катод, вставив твердый полимерный электролит в заводской электрод из фторида железа. Затем вся конструкция была подвергнута термическому прессованию для увеличения плотности и удаления пустот.

Поскольку этот электролит на полимерной основе является гибким, он может выдерживать набухание фторида железа во время цикла и создает стабильную и гибкую межфазную поверхность с фторидом железа. Набухание и побочные эффекты всегда были основными проблемами при использовании фторида железа в батареях.

Катоды, изготовленные из фторида железа, обладают большим потенциалом, однако колебания объема во время цикла, а также паразитные побочные реакции с жидкими электролитами и другие проблемы разложения исторически ограничивали их использование.

Уменьшение содержания кобальта в аккумуляторах

Промышленность осознала опасность кобальтовой зависимости, и многие производители аккумуляторов и конечные пользователи поставили перед собой высокие цели по переходу на катоды с низким содержанием или без кобальта. Существуют экономические причины, причины безопасности и социальные причины минимизировать содержание кобальта. Кобальт добывается как побочный продукт из никелевых (Ni) и медных руд. Это означает, что предложение не является независимым от других сырьевых компаний, а реализация новых инициатив по восстановлению требует больших затрат. Кроме того, добыча и обработка на ранних стадиях сосредоточены в нескольких странах. В результате разумно существенно снизить концентрацию кобальта в литий-ионных батареях.

Многие исследовательские инициативы сосредоточены на материалах с высоким содержанием никеля и высокой плотностью энергии. Проблема использования катодных материалов с высоким содержанием никеля заключается в том, что они страдают от быстрого снижения емкости и увеличения импеданса из-за вредных взаимодействий между атомами Ni на поверхности катода и электролитом ячейки. Осуществляется множество инициатив по стабилизации или защите этой поверхности, чтобы уменьшить такие реакции.

Замена кобальта в батареях

В настоящее время ведутся многочисленные исследования, чтобы найти идеальную замену кобальту, в том числе использование ванадатного стекла и стеклокерамических структур в качестве катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов. В исследовании, проведенном ACS Sustainable Chemistry & Engineering? 2021, начальная емкость стекла и стеклокерамических ванадатных материалов превышала 300 мА · ч / г, и стабильность цикла была многообещающей. По сравнению с кристаллическими эквивалентами, описанными в литературе, ванадатное стекло и стеклокерамика продемонстрировали хорошие скоростные характеристики и более глубокую разрядную емкость (до 1,5 В). Связь обработки, структуры и свойств ванадатного стекла и стеклокерамики в качестве новых электродов была исследована с помощью рентгеновской дифракции, сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной спектроскопии (EDS) и рамановской спектроскопии.

Хотя кристалл -Li0,33V2O5, содержащий стеклокерамику, имеет более высокую пусковую способность, аморфный ванадат стекла демонстрирует наилучшие стабильные характеристики циклирования. Несмотря на обнадеживающие характеристики электродов на стеклянной основе с минимальной структурной стабильностью, был обнаружен стойкий износ. Согласно исследованиям Рамана и EDS, элементы на основе ванадата демонстрируют растворение ванадия в электролите, который перемещается к аноду из металлического лития, что является важной проблемой, которую необходимо решить, чтобы эти материалы были более стабильными и коммерчески жизнеспособными.

Вывод

В последние годы наблюдается рост исследований, направленных на уменьшение количества кобальта в литий-ионных батареях или замену кобальта альтернативными металлами или соединениями в батареях. Например, некоторые производители аккумуляторов решили увеличить количество никеля в аккумуляторах электромобилей, чтобы частично заменить кобальт.

Однако эксперты предупреждают, что они могут быть не такими рентабельными и что без тех же свойств, которые делают кобальт таким привлекательным компонентом, замена востребованного металла чем-либо другим может ухудшить характеристики продукта. Альтернативы, в которых используется меньше кобальта, могут занять больше лет, чем ожидалось, а совершенно новые аккумуляторные технологии могут быть не готовы к коммерческим испытаниям в течение десятилетий.