性能を維持してコストを低減するコバルトフリーの新リチウムイオン電池

(New Cobalt-Free Lithium-Ion Battery Reduces Costs Without Sacrificing Performance)

2020/7/14 ｱﾒﾘｶ合衆国・テキサス大学オースチン校(UT Austin)

・ UT Austin が、コバルトの代替としてニッケルを多く含有する、リチウムイオン電池のカソードを開発。
・ 高コストであることに加え、採掘における人権的な問題が懸念されるコバルトについて、高エネルギー電池での使用を回避する方法が長らく研究されているが、同材料による電池の性能基準に匹敵するような結果が得られていない。
・ 新カソードは 89%がニッケルで、他にマンガンやアルミニウムを含む。ニッケルを多量に含むことでより多量のエネルギーが蓄えられる。エネルギー密度が高まれば、携帯電話の電池寿命や EV の充電毎の航続距離の延長が可能となる。
・ 通常では、エネルギー密度が高くなることで充放電サイクルの短縮等の問題が起こる。また、コバルトを使用しない場合では、カソードの充放電速度が低下。今回、最適な金属の組合せの特定と、カソード結晶構造でのそれらの金属のイオンの均一な分布を確保して電池の性能損失を回避し、これらの課題に対処した。
・ リチウムイオン電池のカソードでは、一般的にニッケル-マンガン-コバルト(NMC)や、ニッケル-コバルト-アルミニウム(NCA)のような金属イオンの組合せを利用している。カソードは全電池材料のほぼ半分を占め、コバルトは 1 トンあたり$28,500 とニッケル、マンガン、アルミニウムを統合したコストよりもさらに高価で、リチウムイオン電池カソードの 10%～30%を構成する。
・ 豊富で安価な金属でコバルトを代替しながら、性能と安全性を維持し、迅速なスケールアップが可能 な 産 業 合 成 プ ロ セ ス を 活 用 す る こ と を 目 標 と す る 。 同 大 学 の Office of Technology
Commercialization を通じてスタートアップの TexPower を立ち上げ、同技術の商業化を目指す。産業界ではコバルトフリーの推進に着手しており、Tesla 社も自社 EV のコバルトフリー電池開発を試みている。
・ 本研究は、重要な電池材料の輸入依存の低減を狙う米国エネルギー省(DOE)のグラントにより実施された。
URL: https://news.utexas.edu/2020/07/14/new-cobalt-free-lithium-ion-battery-reduces-costswithout-sacrificing-performance/

＜NEDO海外技術情報より＞

（関連情報)

Advanced Materials 掲載論文(アブストラクトのみ：全文は有料）
High‐Nickel NMA: A Cobalt‐Free Alternative to NMC and NCA Cathodes for Lithium‐Ion Batteries
URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202002718

Abstract

High‐nickel LiNi1−x−yMnxCoyO2 (NMC) and LiNi1−x−yCoxAlyO2 (NCA) are the cathode materials of choice for next‐generation high‐energy lithium‐ion batteries. Both NMC and NCA contain cobalt, an expensive and scarce metal generally believed to be essential for their electrochemical performance. Herein, a high‐Ni LiNi1−x−yMnxAlyO2 (NMA) cathode of desirable electrochemical properties is demonstrated benchmarked against NMC, NCA, and Al–Mg‐codoped NMC (NMCAM) of identical Ni content (89 mol%) synthesized in‐house. Despite a slightly lower specific capacity, high‐Ni NMA operates at a higher voltage by ≈40 mV and shows no compromise in rate capability relative to NMC and NCA. In pouch cells paired with graphite, high‐Ni NMA outperforms both NMC and NCA and only slightly trails NMCAM and a commercial cathode after 1000 deep cycles. Further, the superior thermal stability of NMA to NMC, NCA, and NMCAM is shown using differential scanning calorimetry. Considering the flexibility in compositional tuning and immediate synthesis scalability of high‐Ni NMA very similar to NCA and NMC, this study opens a new space for cathode material development for next‐generation high‐energy, cobalt‐free Li‐ion batteries.