Naukowcy z Georgia Tech opracowali nową katodę z chlorku żelaza, która może obniżyć koszty akumulatorów litowo-jonowych i zrewolucjonizować pojazdy elektryczne i magazynowanie energii.
Zespół badawczy z wielu instytucji, kierowany przez Hailonga Chena z Georgia Tech, opracował nową, opłacalną katodę, która może znacznie ulepszyć akumulatory litowo-jonowe (LIB), potencjalnie rewolucjonizując rynek pojazdów elektrycznych (EV) i dużych systemy magazynowania energii w skali.
„Od dawna ludzie szukali tańszej i bardziej zrównoważonej alternatywy dla istniejących materiałów katodowych. Myślę, że mamy jednego” – powiedział Chen, profesor nadzwyczajny pracujący w Szkole Inżynierii Mechanicznej im. George’a W. Woodruffa oraz w Szkole Nauki i Inżynierii Materiałowej.
Rewolucyjny materiał, chlorek żelaza (FeCl3), kosztuje zaledwie 1-2% typowych materiałów katodowych i może magazynować taką samą ilość energii elektrycznej. Materiały katodowe wpływają na pojemność, energię i wydajność, odgrywając główną rolę w wydajności, żywotności i przystępności cenowej baterii.
„Nasza katoda może zmienić zasady gry” – powiedział Chen, którego zespół opisuje jej pracę w: Zrównoważony rozwój przyrody. „To znacznie poprawiłoby rynek pojazdów elektrycznych i cały rynek akumulatorów litowo-jonowych”.
Wprowadzone na rynek przez firmę Sony na początku lat 90. XX w. biblioteki LIB wywołały eksplozję w branży elektroniki osobistej, takiej jak smartfony i tablety. Ostatecznie technologia ta umożliwiła napędzanie pojazdów elektrycznych, zapewniając niezawodne, nadające się do ponownego ładowania źródło energii o dużej gęstości. Jednak w przeciwieństwie do elektroniki osobistej, masowi użytkownicy energii, tacy jak pojazdy elektryczne, są szczególnie wrażliwi na koszt LIB.
Baterie odpowiadają obecnie za około 50% całkowitego kosztu pojazdu elektrycznego, co sprawia, że te samochody zasilane czystą energią są droższe od ich kuzynów spalinowych i emitujących gazy cieplarniane. Wynalazek zespołu Chena może to zmienić.
Budowa lepszej baterii
W porównaniu do staromodnych baterii alkalicznych i kwasowo-ołowiowych, LIB przechowują więcej energii w mniejszym opakowaniu i zasilają urządzenie dłużej między ładowaniami. Jednak LIB zawierają drogie metale, w tym pierwiastki półszlachetne, takie jak kobalt i nikiel, i mają wysokie koszty produkcji.
Jak dotąd tylko cztery typy katod zostały pomyślnie skomercjalizowane do zastosowań LIB. Chen byłby piątym i stanowiłby duży krok naprzód w technologii akumulatorów: opracowanie całkowicie półprzewodnikowego LIB.
Konwencjonalne LIB wykorzystują ciekłe elektrolity do transportu jonów litu w celu magazynowania i uwalniania energii. Mają sztywne ograniczenia dotyczące ilości energii, jaką można zmagazynować, a także mogą wyciekać i zapalać się. Jednak całkowicie półprzewodnikowe akumulatory LIB korzystają z elektrolitów stałych, co radykalnie zwiększa wydajność i niezawodność akumulatora oraz czyni go bezpieczniejszym i zdolnym do przechowywania większej ilości energii. Baterie te, będące wciąż w fazie rozwoju i testów, stanowiłyby znaczny postęp.
Podczas gdy badacze i producenci na całej planecie ścigają się, aby technologia oparta wyłącznie na półprzewodnikach stała się praktyczna, Chen i jego współpracownicy opracowali niedrogie i zrównoważone rozwiązanie. Z katodą FeCl3, stałym elektrolitem i anodą litowo-metalową koszt całego systemu akumulatorów wynosi 30-40% obecnych LIB.
„To może nie tylko sprawić, że pojazdy elektryczne będą znacznie tańsze niż samochody spalinowe, ale także zapewni nową i obiecującą formę magazynowania energii na dużą skalę, zwiększając odporność sieci elektrycznej” – powiedział Chen. „Ponadto nasza katoda znacznie poprawiłaby zrównoważony rozwój i stabilność łańcucha dostaw na rynku pojazdów elektrycznych”.
Solidny początek nowego odkrycia
Zainteresowanie Chena FeCl3 jako materiału katodowego zrodziło się w wyniku badań prowadzonych w jego laboratorium nad materiałami w postaci stałych elektrolitów. Począwszy od 2019 r. jego laboratorium próbowało wyprodukować akumulatory półprzewodnikowe przy użyciu stałych elektrolitów na bazie chlorków z tradycyjnymi dostępnymi na rynku katodami tlenkowymi. Nie poszło dobrze — materiały katody i elektrolitu nie dogadywały się.
Naukowcy sądzili, że katoda na bazie chlorku mogłaby zapewnić lepsze parowanie z elektrolitem chlorkowym, co zapewniłoby lepszą wydajność akumulatora.
„Znaleźliśmy kandydata (FeCl3), którego warto wypróbować, ponieważ jego struktura krystaliczna potencjalnie nadaje się do przechowywania i transportu jonów litu i na szczęście działała zgodnie z oczekiwaniami” – powiedział Chen.
Obecnie najpopularniejszymi katodami w pojazdach elektrycznych są tlenki, które wymagają gigantycznej ilości kosztownego niklu i kobaltu, ciężkich pierwiastków, które mogą być toksyczne i stanowić wyzwanie dla środowiska. Natomiast katoda zespołu Chena zawiera wyłącznie żelazo (Fe) i chlor (Cl) – pierwiastki występujące w dużych ilościach, niedrogie i powszechnie stosowane w stali i soli kuchennej.
We wstępnych testach stwierdzono, że FeCl3 działa równie dobrze lub lepiej niż inne, znacznie droższe katody. Na przykład ma wyższe napięcie robocze niż powszechnie stosowana katoda LiFePO4 (fosforan litowo-żelazowy, LFP), co stanowi siłę elektryczną zapewnianą przez akumulator po podłączeniu do urządzenia, podobną do ciśnienia wody w wężu ogrodowym.
Od komercyjnej rentowności pojazdów elektrycznych może minąć mniej niż pięć lat. Według Chena na razie zespół będzie kontynuował badania FeCl3 i powiązanych materiałów. Pracami kierował Chen i postdoktor Zhantao Liu (główny autor badania). Współpracownikami byli badacze ze szkoły Woodruff School (Ting Zhu) i School of Earth and Atmospheric Sciences (Yuanzhi Tang), a także z Narodowego Laboratorium Oak Ridge (Jue Liu) i Uniwersytetu w Houston (Shuo Chen).
„Chcemy, aby materiały były jak najdoskonalsze w laboratorium i aby zrozumieć leżące u ich podstaw mechanizmy funkcjonowania” – powiedział Chen. „Jesteśmy jednak otwarci na możliwości zwiększenia skali technologii i wykorzystania jej do zastosowań komercyjnych”.
Odniesienie: „Niedroga katoda trichlorku żelaza do całkowicie półprzewodnikowych akumulatorów litowo-jonowych” autorstwa Zhantao Liu, Jue Liu, Simin Zhao, Sangni Xun, Paul Byaruhanga, Shuo Chen, Yuanzhi Tang, Ting Zhu i Hailong Chen, 23 września 2024, Zrównoważony rozwój przyrody.
DOI: 10.1038/s41893-024-01431-6
Badanie zostało sfinansowane przez National Science Foundation (granty nr 1706723 i 2108688).
