2022-12-05 オークリッジ国立研究所(ORNL)
研究者たちは、コバルトを使用せずに新しい種類の高容量正極材料を作るための、よりクリーンで安価、かつ効率的な方法を開発した。この水熱合成法では、正極材料を反応器内で化学物質とともに連続的に攪拌する代わりに、エタノールに溶かした金属を用いて正極を結晶化させる。エタノールはアンモニアよりも保管や取り扱いが安全であり、その後蒸留して再利用することができる。
水熱合成法はより高速である。粒子を作り、次のカソードのバッチを準備するのに必要な時間は、数日から12時間に短縮される。
さらに、生成された材料は、正極に理想的な、より均一で丸くぎっしりと詰まった粒子になっている。チームはこれまでにも、コバルトを使用しない他の組み合わせの電池を開発しているが、今回の研究で開発された材料は、電池の充電サイクル全体を通じて安定性を維持する点で優れている。
この新材料は、現在のコバルト系正極と特性が似ているため、既存の電池製造工程にシームレスに組み込むことができる。
＜関連情報＞
- https://www.ornl.gov/news/manufacturing-process-produces-better-cheaper-cathodes-lithium-ion-batteries
- https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775322009211
水熱合成によるCoフリーNMA正極の作製と高性能リチウムイオン電池への応用 Hydrothermal synthesis of Co-free NMA cathodes for high performance Li-ion batteries
Rachid Essehli,Anand Parejiya,Nitin Muralidharan,Charl J.Jafta,Ruhul Amin,Marm B.Dixit,Yaocai Bai,JueLiu,Ilias Belharouak
Journal of Power Sources Available online :18 August 2022
DOI:https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.231938
Highlights
- Hydrothermal method to synthesize LiNi0.9Mn0.05Al0.05O2 (NMA) cobalt-free cathode.
- High crystallinity and spherical morphology achieved by ammonia-free process.
- NMA half cells show 200 mAh g−1 capacity with 96% capacity over 100 cycles.
- NMA-LTO full cells shows capacity of 186 mAh g−1 with 81% retention over 200 cycles.
- Extensive in-situ and ex-situ characterization performed to study the material.
Abstract
Scalable and sustainable production of high voltage cathodes is required to meet the increasing demands for Li-ion batteries. Additionally, the anticipated scarcity of critical materials like cobalt necessitates demonstration of Co-free alternatives that can match the performance metrics of conventional cathodes. Herein, a hydrothermal synthesis route for production of a new class of high-capacity, cobalt-free cathode material, LiNi0.9Mn0.05Al0.05O2 (NMA9055) for next-generation Li-ion batteries is reported. The synthesized cathode material shows high crystallinity and purity with monodispersed spherical morphology. Extensive electrochemical, structural, and post-mortem characterization of this novel NMA material is carried out. NMA-Li half cells show an initial discharge capacity of 200 mAh/g with a 96% capacity retention over 100 cycles when cycled between 3.0 and 4.4 V. On the other hand, NMA full cells with Li4Ti5O12 (LTO) electrodes as the anode, show an initial discharge capacity of 186 mAh/g with 81% capacity retention over 200 cycles. Post-mortem structural and morphological characterization show that the NMA morphology and crystal structure do not degrade significantly over 200 charge/discharge cycles. This new class of cobalt free cathode material containing nickel, manganese and aluminum synthesized by an ammonia-free synthesis route is expected to provide a facile solution towards sustainable cathode production.
