新技术可以让电池世界脱离钴

2019-01-11 09:51:48
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锂基电池使用全世界生产的钴的50%以上。这些电池放在手机,笔记本电脑甚至是汽车里。世界上约有50%的钴来自刚果,在很大程度上是由儿童手工开采的。但现在,由加州大学伯克利分校的科学家领导的一个研究小组已经打开了在锂基电池中使用其他金属的大门,并且制造的阴极的锂储存容量比传统材料高出50%。

“我们开辟了一个新的电池技术化学空间,”资深作者,伯克利材料科学与工程系教授Gerbrand Ceder说。“这是我们第一次拥有一种非常便宜的元件,可以在电池中进行大量的电子交换。”

该研究将发表在4月12日出版的“ 自然 ”杂志上。这项工作是加州大学伯克利分校,伯克利实验室,阿贡国家实验室,麻省理工学院和加州大学圣克鲁兹分校科学家之间的合作。

在今天的锂基电池中,锂离子存储在阴极(带负电的电极)中,阴极是分层结构。钴对维持这种分层结构至关重要。当电池充电时,锂离子从阴极被拉到电池单元的另一侧,即阳极。阴极中不存在锂会留下很大的空间。大多数金属离子会聚集到那个空间,这会导致阴极失去其结构。但钴是少数不会移动的元素之一,这对电池行业至关重要。

2014年,Ceder的实验室发现了一种方法,即阴极可以在没有这些层的情况下保持高能量密度,这一概念称为无序岩盐。这项新研究表明,锰在这个概念中是如何发挥作用的,这是一个远离钴依赖的有希望的步骤,因为锰是在泥土中发现的,使其成为一种廉价的元素。

“为了解决钴的资源问题,你必须远离阴极中的这种分层性,”Ceder说。“无序的阴极让我们可以玩更多的元素周期表。”

在这项新研究中,Ceder的实验室展示了如何利用新技术从阴极获得大量容量。科学家利用一种叫做氟掺杂的工艺,在阴极中加入了大量的锰。具有更多具有适当电荷的锰离子允许阴极保持更多锂离子,从而增加电池的容量。

其他研究小组已尝试氟掺杂阴极,但尚未成功。Ceder说他的实验室在无序结构方面的工作是他们成功的关键。

阴极性能以每单位重量的能量来衡量,称为瓦特小时/千克。无序锰阴极接近每千克1,000瓦时。典型的锂离子阴极的范围为每千克500-700瓦特小时。

“在电池领域,这是对传统阴极的巨大改进,”主要作者Jinhyuk Lee说,他是研究期间Ceder实验室的博士后研究员,现在是麻省理工学院的博士后研究员。

该技术需要扩大规模并进行更多测试,以确定它是否可用于笔记本电脑或电动汽车等应用。但Ceder表示,这项技术是否真的让它成为电池内部的重点并不重要; 研究人员为阴极设计开辟了新的可能性,这一点更为重要。

“你现在几乎可以使用周期表中的任何元素,因为我们已经证明阴极不必分层,”Ceder说。“突然之间,我们有了更多的化学自由,而且我认为真正令人兴奋的地方在于,因为现在我们可以探索新的阴极。

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