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美國研發(fā)富含錳的電極 以制成更便宜、更安全的電池

發(fā)布時間:09-29-2020

       全球的研究人員都在尋找更便宜、更好的鋰離子電池材料,為電動汽車等大型機(jī)器提供動力。目標(biāo)之一就是找到鋰金屬氧化物電極的替代品,取代含鈷的電極。鈷是手機(jī)和筆記本電腦電池中常見的一種元素,但是過于昂貴且容量不足,無法支持電動汽車長距離行駛。

幾十年來,美國能源部阿貢國家實驗室(DOE Argonne National Laboratory)的研究人員一直在尋找與現(xiàn)今電池中使用電池材料性能相同甚至更好的材料。據(jù)外媒報道,阿貢國家實驗室正在研究富含錳的化合物,因為錳儲量豐富且便宜;鋰錳氧化物也很安全,但能量密度低于鈷氧化物。

該實驗室對富含錳的材料的研究受到了實驗室退休研究員Michael Thackeray20世紀(jì)80年代初以來一直進(jìn)行的研究的影響。Michael Thackeray19811982年在牛津大學(xué)攻讀博士后學(xué)位,曾與諾貝爾化學(xué)獎得主John Goodenough(發(fā)明了鋰鈷氧化物電池)共事。

GoodenoughThackeray合作發(fā)現(xiàn)了一種鋰錳氧化物電極,具有尖晶石型結(jié)構(gòu),比Goodenough的鋰鈷氧化物的層狀結(jié)構(gòu)更便宜、更安全,不過性能更差。此種尖晶石材料被放置在一個立方體、緊湊的3D結(jié)構(gòu)中。尖晶石電極含有可快速容納鋰離子的3D通道,因而可實現(xiàn)高功率,優(yōu)于其他鋰離子電池的3D層狀結(jié)構(gòu)和1D隧道結(jié)構(gòu)。

在此類早期研發(fā)工作的基礎(chǔ)上,阿貢國家實驗室的研究人員研發(fā)出許多富含錳的材料,包括Thackeray合作研發(fā)的富含鋰的鎳錳鈷(NMC)陰極。富含鋰的NMC是一項突破性陰極技術(shù),與鋰離子電池中標(biāo)準(zhǔn)含量的NMC相比,性能和可靠性都得到顯著改善?,F(xiàn)在,阿貢國家實驗室已經(jīng)將NMC技術(shù)授權(quán)給通用汽車等全球制造商,而雪佛蘭VoltBolt車型采用的就是此種陰極材料。

GoodenoughThackeray的研究還在繼續(xù)為阿貢國家實驗室正在進(jìn)行的研究提供靈感,研究人員正將納米級尖晶石型材料集成到陰極中,并對尖晶石的性能進(jìn)行微調(diào),以在陰極中設(shè)計出理想的特性。例如,不同的尖晶石型材料可以幫助穩(wěn)定NMC陰極,并有助于設(shè)計出全固態(tài)鋰離子電芯和電池的陰極和電解質(zhì)材料。

目前,阿貢國家實驗室的研究人員正加強(qiáng)對NMC技術(shù)的研究,以提高鋰和錳的含量,讓制成的電池優(yōu)于目前的電池,并提高電池的能量密度和安全性,同時降低成本。該項研究的最終目標(biāo)是為鋰離子電池制造出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、富含錳的電極,從而提升電池的續(xù)航。通過將尖晶石和新材料結(jié)構(gòu),研發(fā)出性價比的材料,以替代富含鈷和鎳的材料。