Japońscy naukowcy z Yokohama National University zaprezentowali obiecującą alternatywę dla akumulatorów niklowo-kobaltowych (NiCo) do pojazdów elektrycznych. W ich podejściu wykorzystuje się mangan w anodzie, aby stworzyć akumulator o wysokiej gęstości energii, który jest zarówno opłacalny, jak i zrównoważony.
Czytaj też: Nowa czysta metoda wydobycia litu. Akumulatory będą bardziej ekologiczne niż dotychczas
Pierwsze testy wykazały, że japoński akumulator litowo-manganowy (LiMnO2) osiągnął przełomową gęstość energii 820 Wh/kg, przewyższając maksymalne 750 Wh/kg, które są w stanie zaoferować baterie NiCo. Szczegóły opisano w czasopiśmie ACS Central Science.
Nadchodzą przełomowe akumulatory do elektryków
Producenci pojazdów elektrycznych preferują akumulatory niklowe i kobaltowe, ponieważ zapewniają one większą gęstość energii, co przekłada się na większy zasięg w mniejszym zestawie akumulatorów. Jednak oba komponenty są drogie w pozyskaniu i stosunkowo rzadkie, co czyni je niezrównoważonymi opcjami, gdy wykorzystanie pojazdów elektrycznych gwałtownie rośnie na całym świecie.
Czytaj też: Naukowcy dążą do wielkiego przełomu w kontekście elektryków. Tym razem nie chodzi o akumulatory
Z kolei akumulatory litowo-jonowe są preferowaną opcją akumulatorów do większości urządzeń elektronicznych. Jednak ich niższa gęstość energii stawia je w tyle w odniesieniu do pojazdów elektrycznych. Eksperymentowano również z manganem w materiale anody obok litu, takim jak LiMnO2. Zastosowania były ograniczone ze względu na gorszą wydajność elektrody, ale teraz naukowcy z Yokohama National University rozwiązali ten problem.
Dr Naoaki Yabuuchi z Yokohama National University mówi:
Dzięki systematycznym badaniom różnych polimorfów LiMnO2 stwierdzono, że jednoskośna domena warstwowa skutecznie aktywuje strukturalne przejście do fazy spinelu. Na podstawie tego odkrycia nanostrukturyzowany LiMnO2 ze strukturami jednoskośnych domen warstwowych i dużą powierzchnią został bezpośrednio zsyntetyzowany przy użyciu prostej reakcji w stanie stałym.
Układ jednoskośny odnosi się do rodzaju symetrii grupowej stałej struktury krystalicznej. Układ Li/Mn z symetrią jednoskośną wydaje się być kluczem do uczynienia LiMnO2 wykonalną opcją dla dodatniego materiału elektrodowego. Bez tego, wydajność elektrody byłaby ograniczona ze względu na suboptymalną strukturę krystaliczną LiMnO2 i towarzyszące jej przejścia fazowe.
Po obserwacji i przetestowaniu różnych polimorfów ustalono, że potrzebna struktura może zostać zsyntetyzowana bezpośrednio z dwóch składników bez konieczności stosowania etapu pośredniego. Powstały materiał jest konkurencyjny w stosunku do materiałów warstwowych na bazie niklu i charakteryzuje się doskonałymi właściwościami szybkiego ładowania, co jest niezbędne w przypadku pojazdów elektrycznych.
Nanostrukturyzowany LiMnO2 z jednoskośną domeną warstwową jest syntetyzowany w prostym procesie kalcynacji w celu uzyskania produktu o wysokiej gęstości energii, osiągającej 820 Wh/kg, w porównaniu do ok. 750 Wh/kg dla materiałów warstwowych na bazie niklu i 500 Wh/kg dla innych niedrogich materiałów na bazie litu. Nie odnotowano również spadku napięcia przy użyciu nanostrukturyzowanego LiMnO2, co jest powszechne w materiałach na bazie manganu.
Chociaż istnieją obiecujące wyniki, można zaobserwować praktyczny problem: rozpuszczanie manganu. Z czasem pierwiastek ten może się rozpuścić z powodu wielu czynników, takich jak zmiany fazowe lub reakcja z roztworami kwaśnymi. Na szczęście można to ograniczyć lub całkowicie złagodzić, stosując wysoce skoncentrowany roztwór elektrolitu i powłokę z fosforanu litu.
Japończycy mają nadzieję, że ich odkrycia przyczynią się do bardziej zrównoważonego źródła energii niż paliwa kopalne, zwłaszcza w odniesieniu do pojazdów elektrycznych.