無序結構的陰極材料助力鋰基電池擺脫對鈷的依賴性

圖片來源：加州大學伯克利分校

鋰基電池所消耗的鈷約佔全球所生產的鈷的量的50％以上。這些鋰基電池被應用在我們的手機、筆記本電腦、甚至是汽車裡。世界上約有50％的鈷產自剛果，主要由工人手工開採，還有一些是由兒童開採的。但是現在，加州大學伯克利分校的科學家領導的一個研究小組通過研究發現，在鋰基電池中我們也可以使用一些其他金屬，他們還成功構建出了比傳統材料鋰儲存容量增加50％的陰極。這項技術打開了一扇新世界的大門：在鋰基電池中我們終於有望擺脫對鈷的依賴性。

「我們為電池技術開闢了一個新的化學空間。」資深作家Gerbrand Ceder（伯克利材料科學與工程系教授）說。「這是我們首次利用一個物美價廉的元件，實現了在電池中進行大量的電子交換。」

這項科研成果於4月12日發表在「Nature」雜誌上。這項工作是加州大學伯克利分校，伯克利實驗室，阿貢國家實驗室，麻省理工學院和加州大學聖克魯斯分校的科學家之間的合作成果。

在目前的鋰基電池中，鋰離子儲存在陰極（帶負電的電極）中，陰極是分層結構。鈷對維持這種分層結構起著至關重要的作用。當電池充電時，鋰離子被從陰極拉到電池單元的另一側，即陽極一側。陰極中沒有鋰離子的存在後有產生很大的空間。大多數金屬離子會湧入該空間內，這將導致陰極失去其分層結構。不過鈷是少數幾種不會移動的金屬元素之一，對電池行業的發展至關重要。

2014年，Ceder的實驗室發現了一種方法，利用這種方法陰極可以在沒有這些層的情況下仍保持高能量密度，這種概念被稱為「無序岩鹽」。這項新研究表明，在「無序岩鹽」這個概念內，錳是不錯的選擇，其有望使鋰基電池擺脫對鈷的依賴，因為錳是在灰塵中被發現，所以它是一種低成本的元素。

「為了解決鈷的資源問題，我們就必須擺脫陰極的這種分層結構。」Ceder說。「無序的陰極結構可以讓我們嘗試更多的元素周期表上的金屬元素，將它們用於鋰基電池的開發工作。」

在這項新研究中，Ceder的實驗室的科研人員展示了如何利用新技術從陰極獲得大量容量。科學家利用一種名為氟摻雜的工藝，將大量的錳納入陰極中。具有適當電荷的這種大量的錳離子允許陰極容納更多的鋰離子，從而增加電池的容量。

其他科研小組曾試圖使用氟摻雜陰極，但尚未取得成功。Ceder說他們科研小組成功的關鍵是：關注於在無序結構上的研究工作。

陰極性能是以單位重量所具有的能量來衡量的，稱為Wh/Kg。無序錳陰極電池能量密度接近1000Wh/Kg。目前典型的鋰離子陰極能量密度在500-700Wh/Kg。

「在電池領域，這是一個超過傳統鋰離子電池陰極性能的巨大進步。」該文章的主要作者Jinhyuk Lee（科研期間他是Ceder實驗室的博士後研究員，現在是麻省理工學院的博士後）說。

目前該技術需要進一步擴大規模並且需要進行更多的測試，以確定它是否可用於筆記本電腦或電動車等應用中。但Ceder表示，這項技術是否可以成功的應用於電池內部並不重要；他們最重要的成果是：研究人員研發的這項技術，為日後陰極設計開闢了新的思路，提供了更多的可能性。

「你幾乎可以使用元素周期表中的任何元素去嘗試製造鋰基電池的陰極，因為我們已經證明陰極不必分層。」Ceder說。「突然間我們有了更多的化學方面的科研自由，我認為這才是科研人員興奮之所在，因為現在我們可以對新陰極材料暢遊探索。」

文章來自rdmag網站，原文題目為原文標題為New Technology Could Wean the Battery World Off Cobalt，由材料科技在線匯總整理。

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