ENG: Oak Ridge National Laboratory researchers have developed a new family of cathodes with the potential to replace the costly cobalt-based cathodes typically found in today’s lithium-ion batteries that power electric vehicles and consumer electronics. The new class called NFA, which stands for nickel-, iron- and aluminum-based cathode, is a derivative of lithium nickelate and can be used to make the positive electrode of a lithium-ion battery. These novel cathodes are designed to be fast charging, energy dense, cost effective, and longer lasting.

With the rise in the production of portable electronics and electric vehicles throughout the world, lithium-ion batteries are in high demand. According to Ilias Belharouak, ORNL’s scientist leading the NFA research and development, more than 100 million electric vehicles are anticipated to be on the road by 2030. Cobalt is a metal currently needed for the cathode which makes up the significant portion of a lithium-ion battery’s cost. Cobalt is rare and largely mined overseas, making it difficult to acquire and produce cathodes. As a result, finding an alternative material to cobalt that can be manufactured cost effectively has become a lithium-ion battery research priority.

“Lithium nickelate has long been researched as the material of choice for making cathodes, but it suffers from intrinsic structural and electrochemical instabilities,” Belharouak said. “In our research, we replaced some of the nickel with iron and aluminum to enhance the cathode’s stability. Iron and aluminum are cost-effective, sustainable and environmentally friendly materials.” Future research and development on the NFA class will include testing the materials in large-format cells to validate the lab-scale results and further explore the suitability of these cathodes for use in electric vehicles.

RO: Cercetătorii de la Oak Ridge National Laboratory au dezvoltat o nouă familie de catozi cu potențialul de a înlocui catozii costisitori pe bază de cobalt care se găsesc în mod obișnuit în bateriile litiu-ion actuale care alimentează vehiculele electrice și aparatele electronice de consum. Noua clasă numită NFA, care înseamnă catod pe bază de nichel, fier și aluminiu, este un derivat al nichelatului de litiu și poate fi folosită pentru a realiza electrodul pozitiv al unei baterii litiu-ion. Acești catozi noi sunt concepuți pentru a se încărca rapid, a avea o densitate energetică mare, a fi rentabile și a avea o durată de viață mai lungă.

Odată cu creșterea producției de electronice portabile și de vehicule electrice în întreaga lume, bateriile litiu-ion sunt foarte solicitate. Potrivit lui Ilias Belharouak, omul de știință de la ORNL care conduce cercetarea și dezvoltarea NFA, se preconizează că peste 100 de milioane de vehicule electrice vor fi pe șosele până în 2030. Cobaltul este un metal necesar în prezent pentru catodul care reprezintă o parte semnificativă din costul unei baterii litiu-ion. Cobaltul este rar și este în mare parte exploatat în străinătate, ceea ce face dificilă achiziționarea și producerea de catozi. Prin urmare, găsirea unui material alternativ la cobalt, care să poată fi fabricat în mod rentabil, a devenit o prioritate în cercetare în domeniul bateriilor litiu-ion.

“Nichelatul de litiu a fost mult timp considerat ca fiind materialul preferat pentru fabricarea catozilor, dar acesta suferă de instabilități structurale și electrochimice intrinseci”, a declarat Belharouak. “În cercetarea noastră, am înlocuit o parte din nichel cu fier și aluminiu pentru a spori stabilitatea catodului. Fierul și aluminiul sunt materiale eficiente din punct de vedere al costurilor, durabile și ecologice.” Cercetările și dezvoltările viitoare privind clasa NFA vor include testarea materialelor în celule de format mare pentru a valida rezultatele la scară de laborator și pentru a explora în continuare adecvarea acestor catozi pentru utilizarea în vehiculele electrice.

You can read more in the paper (this version is adapted and abridged from Source DOE/Oak Ridge National Laboratory. “New class of cobalt-free cathodes could enhance energy density of next-gen lithium-ion batteries.” ScienceDaily. ScienceDaily, 18 December 2020.).

Muralidharan, N., Essehli, R., Hermann, R.P., Parejiya, A., Amin, R., Bai, Y., Du, Z. and Belharouak, I., 2020. LiNixFeyAlzO2, a new cobalt-free layered cathode material for advanced Li-ion batteries. Journal of Power Sources, 471, p.228389.