加州大學(xué)歐文分校和四個國家實驗室的研究人員設(shè)計了一種不使用鈷來制造鋰離子電池陰極的方法，鈷是一種受價格波動和地緣政治復(fù)雜性困擾的礦物。

在今天發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文中，科學(xué)家們描述了他們?nèi)绾瓮ㄟ^混合其他幾種金屬元素來克服主要由鎳(鈷的常見替代品)組成的陰極的熱和化學(xué)機械不穩(wěn)定性。

“通過我們稱之為‘高熵?fù)诫s’的技術(shù)，我們能夠成功地制造出一種無鈷層狀陰極，在反復(fù)充放電循環(huán)中具有極高的耐熱性和穩(wěn)定性，”通訊作者、UCI教授HuolinXin說物理學(xué)和天文學(xué)。“這一成就解決了長期以來圍繞高鎳電池材料的安全性和穩(wěn)定性問題，為廣泛的商業(yè)應(yīng)用鋪平了道路。”

該論文的作者稱，鈷是威脅電動汽車、卡車和其他需要電池的電子設(shè)備廣泛采用的最重大供應(yīng)鏈風(fēng)險之一。這種礦物在化學(xué)上適用于穩(wěn)定鋰離子電池陰極的目的，幾乎完全在剛果民主共和國在虐待和不人道的條件下開采。

“電動汽車制造商急于減少電池組中鈷的使用，不僅是為了降低成本，而且是為了對抗用于開采鈷的童工做法，”辛說。“研究還表明，鈷在高壓下會導(dǎo)致氧氣釋放，從而損壞鋰離子電池。所有這些都表明需要替代品。”

然而，鎳基正極也存在耐熱性差等問題，容易導(dǎo)致電池材料氧化、熱失控甚至爆炸。盡管高鎳陰極可容納更大的容量，但反復(fù)膨脹和收縮引起的體積應(yīng)變會導(dǎo)致穩(wěn)定性和安全性問題。

研究人員試圖通過使用HE-LMNO進行成分復(fù)雜的高熵?fù)诫s來解決這些問題，HE-LMNO是結(jié)構(gòu)內(nèi)部過渡金屬鎂、鈦、錳、鉬和鈮的混合物，其表面和界面上使用了這些礦物的子集與其他電池材料。

辛和他的同事們使用了一系列同步加速器X射線衍射、透射電子顯微鏡和3D納米斷層成像儀器來確定他們的零鈷陰極在重復(fù)使用期間表現(xiàn)出前所未有的零體積變化。高度穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)能夠承受超過1,000次循環(huán)和高溫，這使得它可以與鎳含量低得多的陰極相媲美。

對于其中一些研究工具，Xin與位于紐約美國能源部布魯克海文國家實驗室的國家同步加速器光源II的研究人員合作。作為美國能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施，NSLS-II為團隊提供了使用其28臺科學(xué)儀器中的三臺(稱為光束線)的權(quán)限，以研究新陰極的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

“在NSLSII光束線上不同方法的結(jié)合使我們能夠發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部氧空位和缺陷的捕獲效應(yīng)，這有效地防止了HE-LMNO二次粒子中裂紋的形成，使這種結(jié)構(gòu)在循環(huán)過程中非常穩(wěn)定，”NSLS-II的科學(xué)家、合著者葛明遠(yuǎn)說。

辛補充說：“使用這些先進的工具，我們能夠觀察到陰極顯著提高的熱穩(wěn)定性和零體積變化特性，并且我們已經(jīng)能夠證明容量保持率和循環(huán)壽命顯著提高。這項研究可以設(shè)置開發(fā)現(xiàn)有電池的高能量替代品的階段。”

他說，這項工作代表了朝著實現(xiàn)雙重目標(biāo)邁出的一步，即促進清潔運輸和能源儲存的普及，同時解決圍繞電池中使用的礦物提取的環(huán)境正義問題。

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