Исследователи Массачусетского технологического института тестируют многообещающий материал, известный как TAQ, в качестве углеродной альтернативы кобальту для литий-ионных батарей, используемых в электромобилях.
Электромобили являются важным и все более популярным способом сокращения выбросов парниковых газов. Однако батареи, питающие их, зачастую далеки от экологичности, во многом из-за материалов, из которых они изготовлены. Кобальт, в частности, существенно снижает экологичность электромобилей, но исследователи, возможно, нашли решение.
Кобальтовая руда
Команда Массачусетского технологического института недавно разработала альтернативный материал под названием TAQ, который обеспечивает проводимость и эффективность хранения наравне с кобальтом. Их открытие является одним из многих, способствующих поиску жизнеспособной замены кобальту.
Проблема с кобальтом в литий-ионных батареях
Большинство электромобилей и перезаряжаемой электроники работают на литий-ионных (Li-ion) батареях. Многие используют кобальтовые катоды, поскольку плотность энергии и относительная стабильность кобальта делают его идеальным для перезаряжаемых батарей.
К сожалению, добыча кобальта разрушительна для окружающей среды. Горнодобывающие операции обычно полагаются на оборудование, работающее на ископаемом топливе, что приводит к значительным выбросам. Исследователи также обнаружили высокие уровни радиоактивности в районах добычи кобальта, поскольку многие из них содержат значительное количество урана. Обычные методы также приводят к утечке опасных химикатов в окружающую среду, ставя под угрозу здоровье населения и экологию региона.
Медно-кобальтовый рудник
Наконец, добыча кобальта несет в себе высокие социальные издержки. Сообщения о детском труде, небезопасных условиях труда и других проблемах с правами человека распространены на кобальтовых рудниках в ДРК. Если инженеры и дальше будут полагаться на этот металл, это может усугубить ситуацию.
Последние достижения в разработке безкобальтовых аккумуляторов
Учитывая эти недостатки, исследователи искали способы разработки литиевых батарей без кобальта . Несколько недавних прорывов показывают многообещающие результаты.
Исследователи из Массачусетского технологического института разработали батарею, используя материал на основе углерода под названием Бис-тетраамин бензохинон, или TAQ. TAQ состоит из молекул с тремя сросшимися шестиугольными кольцами. Структура аналогична графену и позволяет слоям расширяться во всех направлениях, создавая стабильные водородные связи. TAQ не растворяется в электролите, как это делают многие органические материалы.
Структура TAQ
Этот материал продемонстрировал более высокую плотность энергии, чем большинство кобальтовых катодов, и благополучно прошел более 2000 циклов зарядки. Самое главное, что TAQ имеется в изобилии и не несет в себе таких сложностей при добыче, как кобальт.
Плотность энергии и стабильность означают, что литиевые батареи на основе TAQ могут работать лучше, чем альтернативы кобальту в реальных нагрузках. На основе этой технологии инженеры могли бы разработать более быстрые и долговечные энергосистемы для электромобилей, способствуя более быстрому переходу на электрифицированный транспорт. Это также может обеспечить более доступную разработку электроники, учитывая снижение волатильности цен на материалы.
Другие исследователи сосредоточились на альтернативе в виде литий-железо-фосфата (LFP). Батареи LFP существуют уже несколько десятилетий, но до недавнего времени не были пригодны для крупномасштабного практического применения. Сейчас 44% всех электромобилей в Китае используют LFP, как и последние модели Tesla.
Как и батарея TAQ, LFP не разлагаются так быстро, как катоды на основе кобальта, и имеют значительно меньший углеродный след. Использование фосфата железа также делает их весьма доступной альтернативой.
Проблемы безкобальтовых батарей
Инженеры-электрики, надеющиеся извлечь выгоду из альтернатив кобальту, должны учитывать несколько остающихся препятствий. Примечательно, что сам по себе литий по-прежнему вызывает ряд осложнений.
Добыча лития, возможно, не связана с такими социальными и экологическими проблемами, как добыча кобальта, но она по-прежнему генерирует значительные выбросы и опасные стоки. Наиболее часто используемая литиевая соль в литий-ионных батареях превращается во фторид водорода, который очень токсичен и вызывает коррозию при реакции на влагу. Следовательно, несчастные случаи при транспортировке или работе с этими системами могут создать значительные риски для безопасности.
Каждая альтернатива литий-ионным батареям на основе кобальта имеет и свои недостатки. TAQ предлагает впечатляющие результаты в лабораторных условиях, но реальные результаты все еще неопределенны, поскольку он еще слишком новый. Его новизна также означает, что инженеры не могут начать использовать его сегодня.
Батареи LFP доказали свою эффективность в реальных условиях, но их недостатки стали более заметными в ходе использования. Даже более новые и более эффективные версии с трудом могут работать в более холодных условиях. Их также труднее перерабатывать, когда срок их полезного использования подходит к концу.
Развитие аккумуляторов для электромобилей
Эти препятствия не означают, что инженерам не следует использовать безкобальтовые аккумуляторные системы. Однако они должны смягчить краткосрочные ожидания и дать информацию о некоторых оперативных соображениях. Проектирование и производство электромобилей с этими батареями требует понимания того, в чем их недостатки.
Прозрачность цепочки поставок должна улучшиться, учитывая зависимость лития и других аккумуляторных материалов от потенциально вредных шахт. Лишь 15% цепочек поставок имеют видимость за пределами поставщиков первого уровня, что затрудняет определение того, основан ли продукт на операциях, вредных с этической или экологической точки зрения. Содействие прозрачности и доверию поможет инженерам выбирать материалы с учетом этих факторов.
Тщательные меры безопасности также необходимы для разработки систем на основе литий-ионных аккумуляторов. Точно так же инженеры должны учитывать, как их общие конструкции учитывают потенциальные проблемы безопасности, такие как воздействие влаги или опасность возгорания при перезарядке.
Дополнительная поддержка в рамках электромобиля может помочь компенсировать недостатки некоторых альтернатив кобальту. Например, повышение теплоизоляции поможет LFP лучше работать на морозе. Системы мониторинга в реальном времени могут помочь контролировать производительность TAQ и выявлять потенциальные проблемы.
Отказ от кобальтовых батарей
Литий-ионные аккумуляторы, вероятно, по-прежнему будут использовать кобальт, пока альтернативы не станут более широко доступными и коммерчески жизнеспособными. Однако рынок движется в этом направлении. Экономические, социальные и экологические издержки, связанные с кобальтом, слишком значительны, чтобы этого не делать.
