Koboltfria batterier kan driva framtidens bilar

Ett nytt batterimaterial från MIT kan erbjuda ett mer hållbart sätt att driva elbilar. Istället för kobolt eller nickel innehåller det nya litiumjonbatteriet en katod baserad på organiska material. I den här bilden visas litiummolekyler i lysande rosa. Kredit: Massachusetts Institute of Technology
Ett nytt batterimaterial från MIT kan erbjuda ett mer hållbart sätt att driva elbilar. Istället för kobolt eller nickel innehåller det nya litiumjonbatteriet en katod baserad på organiska material. I den här bilden visas litiummolekyler i lysande rosa. Kredit: Massachusetts Institute of Technology

Många elfordon drivs av batterier som innehåller kobolt – en metall som medför höga ekonomiska, miljömässiga och sociala kostnader.

Forskare vid MIT har nu tagit fram ett batterimaterial som kan erbjuda ett mer hållbart sätt att driva elbilar. Det nya litiumjonbatteriet har en katod baserad på organiska material, istället för kobolt eller nickel (en annan metall som ofta används i litiumjonbatterier).

I en ny studie visar forskarna att detta material, som kan produceras till mycket lägre kostnad än koboltbatterier, kan leda elektricitet i samma hastighet som koboltbatterier. Det nya batteriet har också jämförbar lagringskapacitet och kan laddas upp snabbare än koboltbatterier, rapporterar forskarna.

”Jag tror att det här materialet kan få stor betydelse eftersom det fungerar riktigt bra”, säger Mircea Dincă, W.M. Keck Professor of Energy vid MIT. ”Det är redan konkurrenskraftigt i förhållande till etablerad teknik, och det kan spara in en hel del kostnader, besvär och miljöproblem i samband med brytningen av de metaller som för närvarande används i batterier.”

Dincă är huvudförfattare till studien, som publiceras idag (18 januari) i tidskriften ACS Central Science. Tianyang Chen Ph.D. ’23 och Harish Banda, en tidigare MIT-postdoktor, är huvudförfattare till uppsatsen. Övriga författare är Jiande Wang, postdoktor vid MIT, Julius Oppenheim, doktorand vid MIT, och Alessandro Franceschi, forskare vid universitetet i Bologna.

Alternativ till kobolt

De flesta elbilar drivs av litiumjonbatterier, en typ av batteri som laddas upp när litiumjoner flödar från en positivt laddad elektrod, kallad katod, till en negativt laddad elektrod, kallad anod. I de flesta litiumjonbatterier innehåller katoden kobolt, en metall som ger hög stabilitet och energitäthet.

Kobolt har dock betydande nackdelar. Eftersom kobolt är en sällsynt metall kan priset fluktuera kraftigt, och en stor del av världens koboltfyndigheter finns i politiskt instabila länder. Koboltutvinning skapar farliga arbetsförhållanden och genererar giftigt avfall som förorenar mark, luft och vatten som omger gruvorna.

”Koboltbatterier kan lagra mycket energi, och de har alla de egenskaper som människor bryr sig om när det gäller prestanda, men de är inte allmänt tillgängliga och kostnaden fluktuerar kraftigt med råvarupriserna. Och när man går över till en mycket högre andel elektrifierade fordon på konsumentmarknaden kommer det säkert att bli dyrare”, säger Dincă.

På grund av de många nackdelarna med kobolt har en hel del forskning gått ut på att försöka utveckla alternativa batterimaterial. Ett sådant material är litium-järn-fosfat (LFP), som vissa biltillverkare börjar använda i elfordon. Även om LFP fortfarande är praktiskt användbart har det bara ungefär hälften så hög energidensitet som kobolt- och nickelbatterier.

Ett annat tilltalande alternativ är organiska material, men hittills har de flesta av dessa material inte kunnat matcha ledningsförmågan, lagringskapaciteten och livslängden hos kobolthaltiga batterier. På grund av sin låga konduktivitet måste sådana material vanligtvis blandas med bindemedel som polymerer, vilket hjälper dem att upprätthålla ett konduktivt nätverk. Dessa bindemedel, som utgör minst 50 procent av det totala materialet, sänker batteriets lagringskapacitet.

För ungefär sex år sedan började Dincăs laboratorium arbeta med ett projekt, finansierat av Lamborghini, för att utveckla ett organiskt batteri som skulle kunna användas för att driva elbilar. Under arbetet med porösa material som delvis var organiska och delvis oorganiska insåg Dincă och hans studenter att ett helt organiskt material som de hade tillverkat såg ut att kunna vara en stark ledare.

Detta material består av många lager av TAQ (bis-tetraaminobenzoquinone), en organisk liten molekyl som innehåller tre sammansmälta hexagonala ringar. Dessa lager kan sträcka sig utåt i alla riktningar och bildar en struktur som liknar grafit. Inom molekylerna finns kemiska grupper som kallas kinoner, som är elektronreservoarerna, och aminer, som hjälper materialet att bilda starka vätebindningar.

Dessa vätebindningar gör materialet mycket stabilt och även mycket olösligt. Denna olöslighet är viktig eftersom den förhindrar att materialet löses upp i batteriets elektrolyt, vilket vissa organiska batterimaterial gör, och därmed förlänger dess livslängd.

”En av de viktigaste nedbrytningsmetoderna för organiska material är att de helt enkelt löses upp i batteriets elektrolyt och går över till den andra sidan av batteriet, vilket i princip skapar en kortslutning. Om man gör materialet helt olösligt sker inte den processen, så vi kan gå upp till över 2 000 laddningscykler med minimal nedbrytning”, säger Dincă.

Stark prestanda

Tester av detta material visade att dess ledningsförmåga och lagringskapacitet var jämförbara med traditionella kobolthaltiga batterier. Dessutom kan batterier med en TAQ-katod laddas och laddas ur snabbare än befintliga batterier, vilket skulle kunna påskynda laddningshastigheten för elfordon.

För att stabilisera det organiska materialet och öka dess förmåga att fästa vid batteriets strömavtagare, som är tillverkad av koppar eller aluminium, tillsatte forskarna fyllnadsmaterial som cellulosa och gummi. Dessa fyllnadsmaterial utgör mindre än en tiondel av den totala katodkompositen, så de minskar inte batteriets lagringskapacitet nämnvärt.

Fyllnadsmaterialen förlänger också batterikatodens livslängd genom att förhindra att den spricker när litiumjoner strömmar in i katoden när batteriet laddas.

De primära material som behövs för att tillverka denna typ av katod är en kinonprekursor och en aminprekursor, som redan finns kommersiellt tillgängliga och produceras i stora mängder som råvarukemikalier. Forskarna uppskattar att materialkostnaden för att montera dessa organiska batterier skulle kunna vara ungefär en tredjedel till hälften av kostnaden för koboltbatterier.

Lamborghini har licensierat patentet på tekniken. Dincăs laboratorium planerar att fortsätta utveckla alternativa batterimaterial och undersöker möjligheten att ersätta litium med natrium eller magnesium, som är billigare och mer vanligt förekommande än litium.

Ytterligare information: Tianyang Chen et al, A Layered Organic Cathode for High-Energy, Fast-Charging, and Long-Lasting Li-Ion Batteries, ACS Central Science (2024). DOI: 10.1021/acscentsci.3c01478

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.