”Ett bra steg på vägen mot koboltfria katoder”

2020-08-25 06:00  

Koboltfria batterier som har samma prestanda som dagens litiumjonbatterier. Det är drömmen för bil- och batteritillverkare. Forskare i USA har tagit ett steg på vägen.

Metallen kobolt är dyr, giftig och bryts till stor del under livsfarliga förhållanden. Tillverkare av både bilar och batterier strävar därför mot målet att ta bort metallen i batterierna.

Men än så länge har nästan alla litiumjonbatterier som används i dag kobolt i katoden.

– Kobolt är ett väldigt energirikt material men beter sig ändå väldigt stabilt, det är en svårslagen kombination. Men det är det som krävs för att tämja litium, säger Daniel Brandell, professor i materialkemi vid Uppsala universitet.

Daniel Brandell. Foto: Staffan Claesson

Det finns visserligen några exempel på litiumjonbatterier helt utan kobolt (se faktaruta). Det vanligaste är litiumjärnfosfat, LFP, som främst används i elbussar.

Catl kan vara något nytt på spåret

Problemet med LFP är att de har mycket sämre energitäthet än de konventionella litiumjonbatterierna, NMC och NCA. Det gör att batteripacken blir stora och tunga om de ska nå samma prestanda.

Den kinesiska batteritillverkaren Catl kan dock vara något nytt på spåret. Det har länge ryktats om att biltillverkaren Tesla vill köpa koboltfria LFP-batterier till sina kinesiska bilar från Catl.

Och alldeles nyligen gick batterijätten ut med beskedet att en ny typ av batteri, utan vare sig kobolt eller nickel, är under utveckling. Men mer än så har bolaget inte avslöjat.

Spännande resultat har dock rapporterats från en forskargrupp från Texasuniversitetet i USA. De har utvecklat en batterityp som kallas NMA, där katoden till största delen (89 procent) består av nickel, men även lite mangan och aluminium ingår. Detta har forskarna kombinerat med en konventionell anod av grafit.

Litiumjonbatteritillverkning i Kina. Foto: Zuma press

Enligt forskarnas labbtester hade batteriet något lägre energidensitet är de typiska koboltkemierna, men gav något högre spänning och jämförbara laddtider. Efter 1 000 cykler med djupurladdning hade det kvar en liknande laddkapacitet som koboltkemierna.

– En hel del människor säger att kobolt är avgörande, och att du inte kan få samma typ av prestanda om du tar bort det. Vi är de första som visar att det är möjligt att ta bort kobolt utan att kompromissa med prestanda, säger Arumugam Manthiram, huvudförfattare på studien, till tidningen Wired.

"Hyfsat nära i energitäthet"

Daniel Brandell välkomnar forskarnas strävan att ta bort kobolt från batterierna.

– Det är jättebra att man går framåt med olika former av koboltfria material. Många av de koboltfria materialen har haft problem framför allt med stabiliteten. Men Texasforskarna såg ut att ha fått ett förvånansvärt stabilt material. Det är roligt att se, säger han.

Jämfört med LFP bedömer han att Texasforskarnas NMA ökar energitätheten med ungefär 20 procent. Det betyder att den koboltfria NMA-varianten knappar in på koboltkemierna.

– Deras NMA-batteri ligger närmare de kommersiella koboltkatoderna i spänning och hyfsat nära i energitäthet. Men det är inte den elektrokemiska prestandan som kommer att bli säljande, utan att batteriet faktiskt är fritt från kobolt. Det här är ett bra steg på vägen mot koboltfria katoder, säger Daniel Brandell.

Hopp om förbättrad energidensitet

Han påpekar dock att mycket arbete återstår innan Texasforskarnas resultat finns i ett kommersiellt batteri. Flera tester och mer utvecklingsarbete måste till.

– De har tagit fram en väldigt enkel prototyp, en väldigt liten cell med tunna elektroder. För att vara tekniskt relevant måste man tillverka tjocka elektroder som går att processa och göra mycket större. Det är inte testat, säger han.

Brytning av kobolt i Kongo-Kinshasa. Foto: Amnesty International

Dessutom måste forskarna visa att batteriet klarar både högre och lägre temperaturer än normal rumstemperatur. Särskilt höga temperaturer har tidigare varit en svårighet för andra typer av koboltfria material.

– Särskilt mangan löses upp vid höga temperaturer. Men i Texasforskarnas NMA-batteri finns väldigt lite mangan så det kanske gör att de inte får samma typ av problem, säger Daniel Brandell.

Arumugam Manthiram har nyligen grundat företaget Tex Power för att försöka få ut det nya batteriet på marknaden. Enligt Wired hoppas han kunna förbättra energidensiteten ytterligare genom att förfina kemin.

Litiumjonbatterier utan kobolt

Tre exempel på koboltfria katoder till litiumjonbatterier är litiumjärnfosfat (LFP), litiummanganoxid (LMO) och litiumnickelmanganoxid (LNMO).

LFP har dock mycket sämre energitäthet än de koboltbaserade batterierna NCA (nickel, kobolt, aluminium) och NMC (nickel, mangan, kobolt).

LMO och LNMO har i stället problem med stabiliteten, vilket gör att de inte klarar lika många laddcykler som NCA och NMC.

Linda Nohrstedt

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt