De kathodematerialen die in lithium-ionbatterijen worden gebruikt, zijn essentieel voor het functioneren van elektrische voertuigen, maar hun productie omvat altijd complexe en waterintensieve processen. Er is echter recent vooruitgang geboekt met onderzoekers die een nieuwe techniek hebben ontwikkeld met volledig droge synthese en steenzoutoxide kan betere batterijen maken. Dit zou de productiekosten en de impact op het milieu aanzienlijk kunnen verlagen.
Onderzoekers bij Dalhousie University heeft aanzienlijke stappen gezet in de ontwikkeling van een volledig droge synthesemethode voor NMC622-kathodematerialen. Dit proces kan kosten besparen en de impact op het milieu minimaliseren in vergelijking met traditionele methoden.
De studie gericht op het gebruik van steenzout (RS) oxideprecursoren om NMC622-kathodes te creëren. Ze vergeleken deze methode met de conventionele hydroxideprecursor (HP)-benadering en onderzochten de effecten van verschillende syntheseomstandigheden.
Belangrijkste kenmerken
- Volledig droge synthese met RS-precursoren lijkt veelbelovend voor kosteneffectieve en milieuvriendelijke kathodeproductie.
- Voor dit proces zijn grotere hoeveelheden lithium nodig om de verdampingsverliezen te compenseren en de homogeniteit van de samenstelling te verbeteren.
- Vloeibaar Li2CO3 fungeert als een flux tijdens de synthese, verbetering van de kristalliniteit en snelle lithiëring van de RS-precursor.
- NMC gemaakt van RS-precursoren met 20% overtollige Li vertoonden een vergelijkbare initiële Coulombische efficiëntie, polarisatie en capaciteitsbehoud als NMC gemaakt van HP-precursoren.
"Het maken van lithium-ion kathodemateriaal kost veel energie en water, en produceert afval. Het heeft de grootste impact op het milieu, met name de CO2-voetafdruk van de batterij," zegt Dr. Mark Obrovac.
De onderzoekers analyseerden de structurele en morfologische eigenschappen van de gesynthetiseerde materialen met behulp van verschillende karakteriseringstechnieken, zoals:
- Röntgendiffractie (XRD)
- Scannende elektronenmicroscopie (SEM)
- Energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDS)
Zij vonden dat de de beste zijn gemaakt van enkele kristallen met deeltjes van ongeveer 5 micron breed. Door hun ingrediënten en verwarmingscondities nauwkeurig af te stemmen, creëerde het onderzoeksteam kathodes van vergelijkbare kwaliteit met behulp van een volledig droog proces. Deze kathodes evenaren de prestaties van de beste producten op de markt van vandaag.
Challenges
- Lithium reageert langzamer met RS-precursoren dan met HP-precursoren bij verhitting onder de 723° C.
- Batterijen gemaakt van NMC uit RS-precursoren hebben een minder uniforme samenstelling en daardoor een lagere capaciteit vergeleken met die uit HP-precursoren.
- De onderzoekers moeten de reactie van lithium in de RS-precursormethode consistenter en sneller maken voor betere batterijen.
Mogelijke acties die gaande zijn
Dr. Obrovac is een partnerschap aangegaan met NOVONIX, een batterijbedrijf uit Nova Scotia. Ze gebruiken volledig droge methoden om kathodematerialen te maken in hun pilotfabriek in Dartmouth. Deze faciliteit kan 10 ton kathodemateriaal per jaar produceren.
Vergeleken met traditionele natte methoden biedt hun proces:
- 30% lagere installatiekosten
- 50% lagere bedrijfskosten
- 25% minder energieverbruik
- Geen behoefte aan bewerkt water
- Geen afvalproductie
"Dit zijn grote aantallen, het is echt een stapsgewijze verandering in de productie van deze batterijmaterialen. Het zou moeten resulteren in goedkopere batterijen met een substantieel lagere global warming footprint,"voegt Dr. Mark Obrovac toe.
Conclusie
Deze methode biedt een enorm potentieel om de productie van batterijen milieuvriendelijker en betaalbaarder te maken. De EV-industrie zou er aanzienlijk van kunnen profiteren, ook al blijven er obstakels bestaan. Naarmate het onderzoek vordert, kan het belang van deze innovatieve aanpak bij het bevorderen van duurzame batterijtechnologie belangrijk blijken.
