22 января 2024 г.
Растет потребность в перезаряжаемых литий-ионных батареях как переход к более «зеленым» источникам энергии. Тем не менее, большая часть их катодов изготовлена из кобальта — металла, добыча которого имеет значительные негативные социальные и экологические последствия.
Изображение предоставлено: Smile Fight/Shutterstock.comИсследователи теперь оценили катодный материал на основе углерода, который широко распространен на Земле и может заменить кобальт и другие опасные и дефицитные металлы без ущерба для производительности литий-ионных батарей, как сообщается в ACS Central Science . В наши дни литий-ионные батареи питают все, включая электромобили, ноутбуки и сотовые телефоны.
Одним из препятствий на пути глобального перехода на возобновляемые источники энергии, особенно для перехода с газовых транспортных средств на электромобили, является нехватка и сложность добычи таких металлов, как кобальт, никель и магний, которые необходимы для изготовления катодов перезаряжаемых батарей.
Предыдущие исследования создавали катоды из менее дорогих и более широко доступных углеродсодержащих материалов, таких как карбонильные соединения и сераорганика. Тем не менее, выходная мощность и стабильность этих прототипов были ниже, чем у обычных литий-ионных батарей. Таким образом, Мирча Динкэ и его коллеги стремились изучить возможность большего успеха с альтернативными катодными материалами на основе углерода.
Они могли бы обнаружить, что бис-тетрааминобензохинон (TAQ) является хорошим кандидатом. Слоистые твердотельные структуры, образованные молекулами TAQ, могут конкурировать по характеристикам с обычными катодами на основе кобальта. Развивая свои более ранние исследования, демонстрирующие эффективность TAQ в качестве материала для суперконденсаторов, группа Динкэ исследовала это вещество в катоде литий-ионной батареи.
Они добавили в катод TAQ соединения, содержащие каучук и целлюлозу, чтобы усилить адгезию TAQ к токосъемнику катода из нержавеющей стали и улучшить циклическую стабильность. Новый композитный катод обеспечивал плотность энергии выше, чем у большинства катодов на основе кобальта, которые прошли безопасный цикл более 2000 раз и заряжались-разряжались всего за шесть минут в ходе демонстрации, проведенной исследователями для проверки концепции.
Прежде чем катоды на основе TAQ будут коммерциализированы, потребуются дополнительные испытания. Тем не менее, исследователи надеются, что они смогут проложить путь к разработке высокоэнергетических, долговечных и быстро перезаряжаемых батарей, которые ускорят переход мира к возобновляемым источникам энергии, лишенным кобальта и никеля.
Исследование финансировала компания Automobili Lamborghini SpA.