Литий-ионные батареи уже давно не ограничиваются только смартфонами - каждый день с конвейера сходит все больше электромобилей, и ожидается, что до конца десятилетия их продажи удвоятся. Даже если все существующие источники редкоземельных металлов будут использоваться только для производства батарей и аккумуляторов, то их все равно не хватит в связи с растущим спросом. Новое исследование, проведенное при поддержке Министерства энергетики США, направлено на то, чтобы заменить некоторые редкие металлы в аккумуляторах тем, чего вы, возможно, не ожидали: солью.
Речь идет не о поваренной соли, но она на нее похожа. Исследователи из нескольких университетов и лабораторий Министерства энергетики, известные под общим названием Консорциум DRX, работают над коммерческим внедрением неупорядоченной каменной соли (DRX) в качестве катодного материала для аккумуляторов. Это произошло после проведения вычислительного моделирования, которое показало, что DRX может стать идеальным катодным материалом. Команда под руководством Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в настоящее время тестирует сотни катодных составов. В случае успеха этот проект сможет уменьшить или даже полностью отказаться от использования никеля и кобальта, необходимых для производства батарей.
Исследователи полагают, что катоды DRX могут придать батареям большую плотность энергии, а это означает, что батареи электромобилей смогут обеспечить большее расстояние на одной зарядке. При этом они могут работать без никеля и кобальта, дефицит которых надвигается по мере наращивания производства батарей. По данным IEEE Spectrum, к 2027 году никель станет дефицитным. К тому же половина мирового кобальта поступает из Демократической Республики Конго, где добыча связана с экологическими проблемами и нарушением прав человека.
Преимуществом DRX-соли является ее кубическая структура, позволяющая поглощать больше ионов лития. По различным оценкам, это позволит увеличить плотность энергии в три раза. Традиционные литий-ионные батареи используют катоды из оксида лития, интегрированные со слоями кобальта и никеля. Ионы могут перемещаться через DRX в трех измерениях, тогда как слоистые катоды ограничивают его двумя измерениями. Именно поэтому катодам DRX не нужен кобальт, который используется для придания стабильности. Вместо кобальта и никеля в ранних рецептурах DRX использовались другие переходные металлы, такие как марганец или титан, которые дешевле и более доступны.
Как и все другие предложенные усовершенствования батарей, этот метод не является панацеей. Команда довольна плотностью энергии экспериментальных батарей с катодами DRX, но есть проблема долговечности. Когда батареи заряжаются и разряжаются, катод и анод испытывают физическую нагрузку, которая в конечном итоге приводит к их разложению, снижая емкость батареи. В настоящее время DRX разлагается быстрее, а замена аккумулятора в электромобиле — дорогостоящее и сложное мероприятие. Именно на этом сейчас исследователи концентрируют свои усилия. Вполне возможно, что уже через пять лет DRX-батареи будут готовы к испытаниям в электромобилях.