Литий-ионные аккумуляторы, используемые в продуктах от бытовой техники до сотовых телефонов, а также в большинстве электромобилей, состоят из катода и анода с электролитом между ними. Ионы перемещаются от анода к катоду через электролит в результате реакции, которая преобразует химическую энергию в электрическую.

Стремление к декарбонизации и спрос на электромобили усилили акцент на устойчивом производстве катодов с высокой плотностью энергии. Однако традиционная обработка сопряжена с трудностями.

Первое препятствие - это зависимость от кобальта, редкого металла, добываемого и перерабатываемого за рубежом. Эта зависимость от иностранных источников создает риски для американских производственных цепочек поставок и транспортной инфраструктуры.

Доступность кобальта - не единственная сложность. Баланс других металлов, распространенных в катодах, также может сделать производственный процесс более длительным и опасным. Например, высокая концентрация никеля привела к широкому использованию метода химического смешивания для производства катодов, который требует больших количеств аммиака для коррозионных реакций. Использование токсичного химиката увеличивает затраты, усиливает проблемы со здоровьем и окружающей средой и приводит к потере большого количества воды для снижения кислотности.

Исследователи ORNL сообщают в Журнал источников питания что они разработали более чистый, дешевый и эффективный метод получения нового класса катодного материала высокой емкости без кобальта. Вместо непрерывного перемешивания катодных материалов с химическими веществами в реакторе, их метод гидротермального синтеза кристаллизует катод с использованием металлов, растворенных в этаноле. Этанол безопаснее хранить и обрабатывать, чем аммиак, а затем его можно перегонять и использовать повторно.

"Этот новый процесс дает ключевое преимущество в переходе катодной промышленности на более чистое и конкурентоспособное по цене производство при одновременном снижении нагрузки на окружающую среду", - сказал Илиас Белхаруак из ORNL, главный исследователь проекта.

По словам ведущего исследователя ORNL Рашида Эссели, метод гидротермального синтеза также намного быстрее. Время, необходимое для получения частиц и подготовки к следующей партии катода, сокращается с нескольких дней до 12 часов.

Кроме того, полученный материал имеет более однородные, круглые, плотно упакованные частицы, которые идеально подходят для катода, сказал Эссели. Хотя команда ORNL ранее определила другие комбинации без кобальта, которые работают, материал, разработанный в рамках этого исследования, лучше сохранял стабильность на протяжении всего цикла зарядки аккумулятора.

Поскольку его свойства аналогичны свойствам современных катодов на основе кобальта, новый материал может быть легко интегрирован в существующие процессы производства аккумуляторов. По словам Эссели, на рассмотрении находится патент на эту технологию, которая готова к масштабированию для коммерческого производства промышленностью. "Этот катодный материал может давать больше энергии и снижать стоимость аккумуляторов для электромобилей", - сказал он.

Исследование финансировалось Управлением транспортных технологий Министерства энергетики США по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии. В нем использовались ресурсы Центра наук о нанофазных материалах ORNL и усовершенствованный источник фотонов в Аргоннской национальной лаборатории. Оба являются пользовательскими средствами Управления науки Министерства здравоохранения.