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 van Dalhousie University hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt in de ontwikkeling van een volledig droge synthesemethode voor NMC622-kathodematerialen. Dit proces kan de kosten verlagen en de milieubelasting minimaliseren in vergelijking met traditionele methoden.
De studie richtte zich op het gebruik van steenzoutoxide (RS) als precursor voor de creatie van NMC622-kathodes. Deze methode werd vergeleken met de conventionele aanpak met hydroxideprecursor (HP), waarbij de effecten van verschillende syntheseomstandigheden werden onderzocht.
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.
“ De productie van lithium-ion-kathodemateriaal kost veel energie en water en genereert afval. Het heeft de grootste impact op het milieu, met name de CO2-voetafdruk van de batterij ”, aldus 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)
Ze ontdekten dat de beste exemplaren gemaakt zijn van enkelkristallen met deeltjes van ongeveer 5 micron breed. Door de ingrediënten en verhittingsomstandigheden 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 die momenteel op de markt zijn.
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 werkt samen met NOVONIX , een batterijbedrijf uit Nova Scotia. Ze gebruiken volledig droge methoden om kathodematerialen te produceren in hun proeffabriek in Dartmouth. Deze fabriek 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 enorme omslag in de productie van deze batterijmaterialen. Het zou moeten leiden tot goedkopere batterijen met een aanzienlijk kleinere ecologische voetafdruk wat betreft de opwarming van de aarde ", voegt dr. Mark Obrovac eraan 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.
