鋰離子(Li-ion)電池是一種可通過(guò)鋰離子可逆還原來(lái)儲(chǔ)存能量的可充電電池，由于其卓越的性能和較長(zhǎng)的生命周期，是最廣泛使用的電池技術(shù)之一。目前許多現(xiàn)有和新興技術(shù)都由這些電池供電，包括智能手機(jī)、筆記本電腦和電動(dòng)汽車(chē)。

盡管鋰離子電池具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其價(jià)格卻變得越來(lái)越昂貴，因?yàn)樗鼈兒行枨罅看笄译y以大量采購(gòu)的材料，例如鈷 (Co) 和鎳 (Ni)。因此，電池制造商和能源專(zhuān)家一直在努力尋找需要很少或不需要鈷和鎳的替代設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈兛梢越档弯囯x子電池的成本并促進(jìn)其大規(guī)模生產(chǎn)。

加州大學(xué)歐文分校和美國(guó)其他機(jī)構(gòu)的研究人員最近推出了一項(xiàng)新策略，為鋰離子電池制造無(wú)鈷陰極，這種陰極不會(huì)對(duì)電池的性能產(chǎn)生不利影響。他們的研究發(fā)表在《自然能源》雜志上，由美國(guó)能源部車(chē)輛技術(shù)辦公室資助。

【資料圖】

“我們的項(xiàng)目于 2018 年開(kāi)始，于 2023 年 3 月結(jié)束，”進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究人員之一辛火林 (Huolin Xin) 告訴 Tech Xplore?！爱?dāng)我們開(kāi)始研究時(shí)，整個(gè)行業(yè)都在致力于超高鎳陰極以取代或降低鈷的使用量。2019年，鎳成為電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)下一個(gè)痛點(diǎn)的問(wèn)題已經(jīng)在我腦海中形成，因?yàn)槲野l(fā)現(xiàn)Ni的價(jià)格已經(jīng)漲到Co的三分之一了，在2019年底的項(xiàng)目評(píng)審會(huì)上，我代表團(tuán)隊(duì)立下了幾個(gè)新年決心，其中之一就是打造低Ni 、高錳、無(wú)鈷陰極，可規(guī)避鎳的痛點(diǎn)?！?/p>

2020 年，Xin 和他的同事設(shè)計(jì)了一種新策略，以實(shí)現(xiàn)高鎳 (Ni-80%) 正極活性材料 (CAM) 的零應(yīng)變。他們的策略基于所謂的濃度復(fù)合摻雜，這是一種使用特定化學(xué)物質(zhì)(即摻雜劑)改變材料性能的技術(shù)。

“在之前的研究發(fā)表在《自然》雜志上之后，我告訴我的團(tuán)隊(duì)，我們應(yīng)該嘗試應(yīng)用這種策略來(lái)創(chuàng)建低鎳 CAM，”Xin 解釋道?！拔覀兒芸炀统晒Φ刈C明了濃度復(fù)合摻雜策略可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)上可行的低鎳、高錳 CAM。

Xin和他的同事提出的濃度復(fù)合摻雜策略有幾個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)低陽(yáng)離子混合，正極材料在 C/10 時(shí)具有 190 mAh/g 的高容量，在 C/3 時(shí)具有 700 wh/kg 的高比能量，以及高熱穩(wěn)定性和長(zhǎng)電池生命周期。

“我們提出的策略是低成本，因?yàn)樗缓挘嚭繙p少了 50%，而且我們使用的主要材料錳很便宜，”辛說(shuō)?！拔覀冋故玖说完?yáng)離子混合，可釋放高容量(C/10 時(shí)為 190 mAh/g)和高比能(C/3 時(shí)為 700 wh/kg)、優(yōu)于 NMC-532 的高熱穩(wěn)定性以及長(zhǎng)循環(huán)壽命達(dá)到 >4000 次循環(huán)，這使其與 LFP 電池具有競(jìng)爭(zhēng)力。”

與其他提出的減少鋰離子電池對(duì)鈷和鎳依賴(lài)的策略相比，Xin 和他的同事提出的方法不需要在材料表面進(jìn)行涂層。這使得大規(guī)模實(shí)施變得更加容易。

在最初的測(cè)試中，使用該團(tuán)隊(duì)的策略創(chuàng)建的無(wú)鈷陰極表現(xiàn)非常出色，能夠制造出穩(wěn)定、高效、壽命長(zhǎng)的鋰離子電池。未來(lái)，它可以用于制造更實(shí)惠的鋰離子電池，用于廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也可能激發(fā)引入類(lèi)似的基于摻雜的方法來(lái)制造無(wú)鈷電池。

“我們現(xiàn)在正在研發(fā)鎳/鈷含量更低的下一代 CAM，這將再次降低 CAM 材料的成本，”Xin 補(bǔ)充道。