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研究人员开发出一种用于锂离子电池的无钴阴极

加州大学欧文分校和四个国家实验室的研究人员设计了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…

加州大学欧文分校和四个国家实验室的研究人员设计了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复杂性困扰的矿物。

在今天发表在《自然》杂志上的一篇论文中,科学家们描述了他们如何通过混合其他几种金属元素来克服主要由镍(钴的常见替代品)组成的阴极的热和化学机械不稳定性。

“通过我们称之为‘高熵掺杂’的技术,我们能够成功地制造出一种无钴层状阴极,在反复充放电循环中具有极高的耐热性和稳定性,”通讯作者、UCI教授HuolinXin说物理学和天文学。“这一成就解决了长期以来围绕高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,钴是威胁电动汽车、卡车和其他需要电池的电子设备广泛采用的最重大供应链风险之一。这种矿物在化学上适用于稳定锂离子电池阴极的目的,几乎完全在刚果民主共和国在虐待和不人道的条件下开采。

“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,而且是为了对抗用于开采钴的童工做法,”辛说。“研究还表明,钴在高压下会导致氧气释放,从而损坏锂离子电池。所有这些都表明需要替代品。”

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。尽管高镍阴极可容纳更大的容量,但反复膨胀和收缩引起的体积应变会导致稳定性和安全性问题。

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

辛和他的同事们使用了一系列同步加速器X射线衍射、透射电子显微镜和3D纳米断层成像仪器来确定他们的零钴阴极在重复使用期间表现出前所未有的零体积变化。高度稳定的结构能够承受超过1,000次循环和高温,这使得它可以与镍含量低得多的阴极相媲美。

对于其中一些研究工具,Xin与位于纽约美国能源部布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源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台科学仪器中的三台(称为光束线)的权限,以研究新阴极的内部结构。

“在NSLSII光束线上不同方法的结合使我们能够发现材料内部氧空位和缺陷的捕获效应,这有效地防止了HE-LMNO二次粒子中裂纹的形成,使这种结构在循环过程中非常稳定,”NSLS-II的科学家、合著者葛明远说。

辛补充说:“使用这些先进的工具,我们能够观察到阴极显着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显着提高。这项研究可以设置开发现有电池的高能量替代品的阶段。”

他说,这项工作代表了朝着实现双重目标迈出的一步,即促进清洁运输和能源储存的普及,同时解决围绕电池中使用的矿物提取的环境正义问题。

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作者: 包小可

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