I takt med at biler, lastbiler og busser (og endda fly og tog) i stigende grad skifter fra at brænde fossile brændstoffer til at køre på batterier, er efterspørgslen på kritiske batterimetaller begyndt at eksplodere. Salget af elektriske køretøjer forventes at fordoble sig mellem 2023 og 2027, hvilket udløser en mangel på lithium i 2024 samt mangel på nikkel og kobolt – to nøgleingredienser i dagens lithium-batterikatoder – i 2027, ifølge en nylig rapport fra markedsintelligensfirmaet S&P Global.

DRX Konsortiet – Fremtiden for Batteriteknologi

Forskere arbejder på at udvikle katoder, der bruger færre af disse kritiske metaller eller erstatter dem helt. Et team mener, de måske har fundet det rigtige materiale: uordenlig stensalt (DRX), en slægtning til bordssalt. DRX-konsortiet, ledet af Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), arbejder nu på at kommercialisere den lovende nye katodekandidat med

Mere Energi og Mindre Afhængighed af Kritiske Metaller

DRX-katoder kunne føre til lithium-ion-batterier med markant mere energi pr. vægt end det, der ville være muligt i dag, hvilket ville give køretøjer længere køreafstand. Og disse katoder kunne tilbyde denne energitæthed foruden kobolt og nikkel. Nogle af DRX-konsortiets tidligste formuleringer er lavet med mangan eller titanium, som begge er billigere end nikkel og kobolt.

“Du kan bruge mange forskellige overgangsmetaller,” siger Guoying Chen, en forskningsforsker ved Berkeley Lab, der sammen med materialvidenskabs- og ingeniørprofessor Gerbrand Ceder fra University of California, Berkeley, co-leder konsortiet. “Elementer, der er langt mere almindelige, og som vi har nem adgang til. I alle disse år har traditionelle lithium-ion-katodematerialer været afhængige af nikkel og kobolt, men pludselig har vi en alsidig, fleksibel mulighed. Bæredygtighed er virkelig en stor fordel.”

Udfordringen ved Kobolt i Batteriproduktion

Af alle batterimetaller er kobolt en særlig vanskelig en. Over halvdelen af verdens kobolt kommer fra Den Demokratiske Republik Congo, hvor minedriftspraksis har rejst bekymringer om miljø- og menneskerettighedsspørgsmål. At finde bedre måder at udvinde kobolt og andre batterimetaller i nye regioner i verden er en løsning. Minedrift i havene er en anden mulighed, men det bringer sine egne udfordringer med sig.

DRX Materialer – En Ny Vej til Batterier

DRX-materialer kræver ikke kobolt for stabilitet, fordi de har en krystalstruktur, der er kubisk i stedet for lagdelt. Lithium-ioner trænger igennem materialet i tre dimensioner i stedet for to, som de gør i traditionelle lagdelt katodematerialer. Dette betyder, at DRX-katoder kan “fyldes med flere lithium-ioner, hvilket er grunden til, at de tilbyder mere energitæthed,” siger Chen. “Vi kalder dette et lithium-overflodskatodemateriale.”

Fra Forskning til Konsortium

Første gang rapporteret i 2014 af Ceder og hans kolleger, viste DRX-materialer tilstrækkelig lovende egenskaber til lithium-ion-opbevaring i beregningsstudier, hvilket fik forskerne til at starte en fireårig dybdegående forskning på materialerne. Teamet lancerede derefter DRX-konsortiet i oktober 2022 med 20 millioner dollars i finansiering fra det amerikanske energidepartements Vehicle Technologies Office.

Konsortiet er fordelt på forskellige DOE nationale laboratorier og universiteter. Forskellige hold arbejder på beregningsmodellering for at finde nye og forbedrede kemiske sammensætninger for DRX-katoder; fremstilling af materialerne og eksperimentel testning for at karakterisere og forbedre dem; og udvikling af nye elektrolytter, der fungerer bedst sammen med DRX-katoder i et batteri.

Udfordringen ved Batteriets Levetid

Chen siger, at den største udfordring forskerne skal overvinde, er at skabe stabile materialer, der kan vare i tusindvis af opladningscyklusser. “Vores materialer har vist god ydeevne, men en af de vigtigste ting, vi arbejder på, er at forbedre battericyklens levetid med DRX-materialer i det. Du vil have, at disse materialer skal holde i lang tid i et elbilbatteri.”

Fremtiden for Batteriteknologi Ser Lys Ud

DRX-materialer og det innovative arbejde udført af DRX-konsortiet viser, at der er store fremskridt inden for batteriteknologi på vej. Denne nye tilgang kan potentielt mindske afhængigheden af kritiske metaller som kobolt og nikkel og samtidig forbedre batteriers ydeevne og levetid. Som elektriske køretøjer bliver stadig mere udbredte, er DRX-katoder en spændende mulighed.

 

Fakta omkring DRX-materialer:

  1. Struktur: DRX-materialer, eller disordered rock salt-materialer, adskiller sig fra traditionelle katodematerialer ved at have en kubisk krystalstruktur i stedet for en lagdelt struktur. Denne struktur tillader mere effektiv transport af lithium-ioner og bidrager til øget energitæthed i batterierne.
  2. Energitæthed: DRX-katoder tilbyder en højere energitæthed sammenlignet med konventionelle katodematerialer. Dette betyder, at batterier, der anvender DRX-materialer, kan lagre mere energi pr. vægt, hvilket oversætter til længere kørselsrækkevidde for elektriske køretøjer.
  3. Erstatning af Kobolt og Nikkel: En vigtig fordel ved DRX-materialer er, at de ikke kræver brug af kobolt og nikkel for at opretholde stabilitet. Dette er afgørende, da koboltudvinding kan være problematisk på grund af bekymringer om miljø- og menneskerettighedsproblemer.
  4. Forskningshistorie: DRX-materialer blev først rapporteret i 2014 og har siden været genstand for intensiv forskning. Der er blevet investeret betydelige midler i udviklingen af denne teknologi, herunder et 20 millioner dollars bidrag fra det amerikanske energidepartements Vehicle Technologies Office til DRX-konsortiet.
  5. Langtidsholdbarhed: En udfordring, som forskerne arbejder på at overvinde, er at forbedre DRX-materialernes levetid i batterier. Langtidsholdbarhed er afgørende for at sikre, at batterierne kan fungere effektivt i mange opladningscyklusser, især i elbilbatterier.
  6. Fremtidig Potentiale: DRX-materialer repræsenterer et spændende potentiale inden for batteriteknologi. De kan hjælpe med at reducere afhængigheden af knappe og kostbare metaller som kobolt og nikkel, hvilket kan gøre elektriske køretøjer mere bæredygtige og overkommelige.
  7. Forskningssamarbejde: DRX-materialer er blevet undersøgt af et tværfagligt forskningssamarbejde, herunder forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og University of California, Berkeley. Dette samarbejde har bidraget til fremskridt inden for materialeteknologi.

Disse fakta og data illustrerer, hvordan DRX-materialer har potentiale til at revolutionere batteriteknologien ved at tilbyde øget energitæthed og mindske afhængigheden af kritiske metaller, hvilket er afgørende for fremtidens elektriske køretøjer og bærbare elektronik.

Kilde: ieee.org

Fotos af Lorena Martínez