加州大学研究人员开发出用于锂离子电池的无钴阴极

据外媒报道，加州大学尔湾分校（University of California, Irvine，UCI）和四个国家实验室设计出一种不使用钴来制造锂离子电池阴极的方法。钴是一种受价格波动和地缘政治影响较大的矿物。

相关论文通讯作者、UCI物理学和天文学教授Huolin Xin表示：“通过‘高熵掺杂’技术，我们成功地制造出一种无钴层状阴极，可在反复充放电循环中具有极高的耐热性和稳定性，解决了长期以来富镍电池材料的安全性和稳定性问题，为广泛的商业应用铺平了道路。”

该论文的作者称，钴在化学上可稳定锂离子电池的阴极，但也是阻碍电动汽车、卡车和其他需要电池的电子设备被广泛采用的重要原因之一，因为其开采地区主要为刚果民主共和国，开采环境恶劣且存在虐待行径。

Xin表示：“电动汽车制造商急于减少电池组中钴的使用，不仅是为了降低成本，而且是为了反对雇佣童工。研究表明，钴会在高压下导致氧气释放，从而损坏锂离子电池。因此电池中的钴需要被替代。”

然而，镍基正极也存在耐热性差等问题，容易导致电池材料氧化、热失控甚至爆炸。尽管富镍阴极可以容纳更大的容量，但反复膨胀和收缩引起的体积应变会导致稳定性差和安全问题。

通过使用HE-LMNO，研究人员试图通过成分复杂的高熵掺杂来解决上述问题。HE-LMNO是结构内部过渡金属镁、钛、锰、钼和铌的混合物，其表面和界面富有这些矿物的子集与其他电池材料。

通过使用一系列同步加速器X射线衍射、透射电子显微镜和3D纳米断层成像仪器，Xin及其同事确定其零钴阴极在重复使用期间表现出零体积变化。这种高度稳定的结构能够承受1,000多次循环和高温，因此可与镍含量低得多的阴极相媲美。

对于其中一些研究工具，Xin是与位于纽约美国能源部布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的国家同步加速器光源II（National Synchrotron Light Source II，NSLS-II）的研究人员合作。作为美国能源部科学办公室用户设施，NSLS-II为团队提供了使用其28种科学仪器中的三种（称为光束线）的权限，以研究新阴极的内部结构。

NSLS-II的科学家、论文合著者Mingyuan Ge表示：“在NSLS II光束线上将不同方法结合，我们能够发现材料内部氧空位和缺陷的捕获效应，从而有效地防止HE-LMNO二次粒子中裂纹的形成，进而使这种结构在循环过程中非常稳定。”

Xin补充说：“使用这些先进的工具，我们能够观察到阴极显著提高的热稳定性和零体积变化特性，并且我们已经能够证明容量保持率和循环寿命也显著提高。这项研究可以为开发现有能量密集型电池替代品奠定基础。”