LG Energy Solution en de Seoul National University hebben gezamenlijk een technologie ontwikkeld die gasvorming onderdrukt en de levensduur van lithium-mangaanrijke (LMR) batterijen verbetert.

Het bedrijf maande maandag bekend dat de resultaten voortkwamen uit een gezamenlijk onderzoek met een team onder leiding van professor Lim Jong-woo van de Seoul National University. De bevindingen zijn gepubliceerd in Nature Communications.

LMR is een kathodemateriaal dat de materiaalkosten verlaagt door relatief goedkoop mangaan te gebruiken in plaats van kobalt. Het kan ook een hoge energiedichtheid bereiken door zuurstof in het materiaal te gebruiken voor energieopslag. Het verminderen van de afhankelijkheid van kobalt is een bredere doelstelling in de sector, aangezien het metaal kostbaar is en de toeleveringsketen geconcentreerd is in een klein aantal landen. Daardoor vormen kobaltvrije of kobaltarme kathodes een belangrijke focus voor batterijfabrikanten die goedkopere cellen willen maken voor elektrische auto's voor de massamarkt.

Onvolledig zuurstofherstel tijdens het laden en ontladen kan echter de interne structuur van een batterij beschadigen en gasvorming veroorzaken. De daardoor ontstane drukopbouw kan de prestaties van cellen voor elektrische voertuigen verslechteren. Gasvorming en een korte levensduur behoren tot de belangrijkste obstakels die LMR-kathodes, ondanks hun kostenvoordeel, tot nu toe weerhielden van grootschalige commercialisering.

De onderzoekers analyseerden het oxidatie-reductiegedrag van zuurstof onder uiteenlopende omstandigheden en ontdekten dat zowel de bovenste laadspanning als de onderste ontlaadspanning het zuurstofherstel beïnvloeden. Toen de bovenste laadspanning werd verlaagd van 4,6 volt naar 4,3 volt, steeg de reductiegraad van geoxideerde zuurstof van 86 procent naar 97 procent. Bovendien keerde de zuurstof bij een ontlading van 2,0 volt vrijwel terug naar de oorspronkelijke toestand.

LG Energy Solution paste deze bevindingen toe op een cel van de 40Ah-klasse — een formaat dat in commerciële batterijproducten wordt gebruikt — door het bedrijfsspanningsbereik opnieuw te ontwerpen en de temperatuur tijdens het formatieproces, de eerste conditioneringsstap in de celproductie, te verlagen om gasvorming te beperken. Opvallend is dat de verbetering voortkwam uit het aanpassen van de bedrijfsomstandigheden en niet uit een verandering van het kathodemateriaal zelf. De geoptimaliseerde cel behield 92,2 procent van zijn aanvankelijke energie na 883 laad-ontlaadcycli, wat de stabiele levensduur van LMR-materialen aantoont.

"Dit onderzoek identificeerde de oorzaak van degradatie van LMR-batterijen vanuit het perspectief van de omkeerbaarheid van zuurstof en toonde aan dat de stabiliteit van cellen uitsluitend door het ontwerp van elektrochemische protocollen kan worden verbeterd," aldus Lim.

Een woordvoerder van LG Energy Solution zei dat het onderzoek aantoonde dat gasvorming kan worden onderdrukt terwijl een stabiele levensduur behouden blijft. "De bevindingen zullen bijdragen aan de commercialisering van LMR-batterijen," aldus de woordvoerder. Het bedrijf heeft LMR eerder genoemd als een van de volgende generatie kathodechemie die het ontwikkelt, in concurrentie met rivalen in China en Japan om de kosten van EV-batterijen te verlagen.