Forskare inom kemi hoppas kunna initiera en grön batterirevolution genom att visa att järn kan användas som katodmaterial i litiumjonbatterier istället för de sällsynta och dyra metallerna kobolt och nickel. En forskningssamarbete lett av en forskare från Oregon State University har publicerat sina fynd i Science Advances, vilket kan innebära stora förändringar för batteritillverkning.
- Vi har förändrat järnmetallens reaktivitet, den billigaste metallvaran, säger forskaren Xiulei "David" Ji vid Oregon State.
- Vår elektrod kan erbjuda en högre energitäthet än de bästa katodmaterialen som används i elfordon idag. Eftersom vi använder järn, som kostar mindre än en dollar per kilogram, en bråkdel av kostnaden för nickel och kobolt, blir våra batterier potentiellt mycket billigare.
Idag utgör katoden 50 procent av kostnaden för att tillverka en litiumjonbattericell. Förutom ekonomiska fördelar skulle järnbaserade katoder även kunna erbjuda större säkerhet och hållbarhet.
Resursbrist och säkerhetsproblem
Efterfrågan på nickel och kobolt har ökat kraftigt i takt med att fler litiumjonbatterier tillverkas för att elektrifiera transportsektorn. Förutspådda brister på dessa metaller kan bromsa batteriproduktionen inom ett par decennier. Dessutom är energitätheten hos dessa element redan maximerad, och ytterligare påfrestningar kan leda till att batterier antänder under laddning. Kobolt är också giftigt och kan förorena ekosystem och vattendrag om det läcker ut från deponier.
Batteriets kemiska grunder
Ett batteri lagrar energi i form av kemisk energi och omvandlar den genom reaktioner till elektrisk energi. De flesta batterier fungerar på samma grundläggande sätt och innehåller samma grundläggande komponenter: en anod och en katod, en separator och en elektrolyt som möjliggör flödet av elektrisk laddning. I ett litiumjonbatteri bärs laddningen via litiumjoner som rör sig genom elektrolyten från anoden till katoden under urladdning och tillbaka igen under laddning.
Innovativ design för järnkatoder
- Vår järnbaserade katod kommer inte att begränsas av resursbrist, säger Ji och förklarar att järn, förutom att vara det vanligaste elementet på jorden mätt i massa, är det fjärde mest förekommande elementet i jordskorpan.
- Vi kommer inte att få slut på järn förrän solen blir en röd jätte.
Ji och hans samarbetspartners från flera universitet och nationella laboratorier ökade järnets reaktivitet i sin katod genom att designa en kemisk miljö baserad på en blandning av fluor- och fosfatanjoner. Denna blandning, noggrant blandad som en fast lösning, möjliggör en reversibel omvandling av en fin blandning av järnpulver, litiumfluorid och litiumfosfat till järnsalter.
Potential för kommersiell användning
Ji säger:
- Vi har visat att materialdesign med anjoner kan bryta energitäthetens tak för batterier som är mer hållbara och kostar mindre. För att använda denna nya katod i applikationer behöver inget annat ändras – inga nya anoder, inga nya produktionslinjer, ingen ny design av batteriet. Vi byter bara ut en sak, katoden.
Det återstår dock att förbättra lagringseffektiviteten, eftersom inte all elektricitet som laddas in i batteriet är tillgänglig vid urladdning. Ji förväntar sig att dessa förbättringar kommer att göras, vilket resulterar i ett batteri som fungerar mycket bättre än de nuvarande, samtidigt som det kostar mindre och är mer miljövänligt.
- Om det görs investeringar i denna teknik bör det inte dröja länge innan den är kommersiellt tillgänglig, säger Ji. "
- Vi behöver visionärer inom industrin som allokerar resurser till detta framväxande område. Världen kan ha en katodindustri baserad på en metall som nästan är gratis jämfört med kobolt och nickel. Du behöver inte ens återvinna järn – det rostar bara om du låter det vara."
Stödd av Energidepartementet
Denna forskning finansierades av U.S. Department of Energy's Basic Energy Sciences program och leddes tillsammans med Tongchao Liu från Argonne National Laboratory. Forskare från Vanderbilt University, Stanford University, University of Maryland, Lawrence Berkeley National Laboratory och SLAC National Accelerator Laboratory bidrog också.
Denna forskning kan revolutionera batteriindustrin genom att ersätta dyra och miljöfarliga metaller med det billigare och mer tillgängliga järnet.
Källor: Science Daily / University of Oregon State