新型無鈷鋰離子電池可在不犧牲性能的情況下降低成本

幾十年來，研究人員一直在尋找從為電子設備供電的高能電池中消除鈷的方法，這是由于其高昂的成本以及采礦過程中對人權的影響。但是過去的嘗試還沒有達到鈷電池的性能標準。

德克薩斯大學奧斯汀分校的考克雷爾工程學院的研究人員表示，他們已經將密碼破解為無鈷高能鋰離子電池，消除了鈷，為降低電池生產成本同時提高成本打開了大門在某些方面的表現。研究小組報告了一種新型的陰極，即所有鈷通常存在的電池中的電極，其鎳含量很高。他們研究的陰極是89%的鎳。錳和鋁是其他關鍵元素。

電池中更多的鎳意味著它可以存儲更多的能量。增加的能量密度可以導致手機的電池壽命更長，或者每次充電后電動汽車的續航時間更長。

這一發現發表在本月的《先進材料》雜志上。該論文由沃克機械工程系教授，德克薩斯材料研究所所長Arumugam Manthiram撰寫。學生史蒂芬·李(Steven Lee)和博士 畢業于王大利。

通常，增加的能量密度會導致權衡取舍，例如較短的循環壽命-電池在失去效率且無法再完全充電之前可以充電和放電的次數。消除鈷通常會減慢電池的動力學響應并導致速率降低(可對陰極充電或放電的速度有多快)。但是，研究人員說，他們已經通過找到金屬的最佳組合并確保其離子的均勻分布，克服了循環壽命短和倍率能力差的問題。

鋰離子電池的大多數陰極都使用金屬離子的組合，例如鎳錳鈷(NMC)或鎳鈷鋁(NCA)。陰極大約占整個電池材料成本的一半，而鈷是最昂貴的元素。它的價格約為每噸28,500美元，比鎳，錳和鋁的總和還貴，并且占大多數鋰離子電池正極的10%至30%。

曼西拉姆說：“鈷是電池陰極中含量最少，最昂貴的成分。” “而且我們正在完全消除它。”

研究人員取得突破的關鍵可以在原子層次上找到。在合成過程中，他們能夠確保各種金屬離子在陰極的晶體結構中保持均勻分布。Manthiram說，當這些離子聚集成團時，性能會下降，并且這個問題困擾了以前的無鈷高能電池。通過使離子均勻分布，研究人員可以避免性能損失。

李說：“我們的目標是在保持性能和安全性的同時，僅使用大量廉價的金屬來替代鈷，并利用可立即擴展的工業合成工藝。”

Li Manthiram和前博士后研究員Evan Erickson與UT的技術商業化辦公室合作，成立了一家名為TexPower的初創公司，將技術推向市場。研究人員已獲得美國能源部的資助，該部試圖減少關鍵電池材料對進口的依賴。

工業界已經在無鈷的發展上躍躍欲試，最顯著的是特斯拉(Tesla)努力消除了為其電動汽車供電的電池中的材料。由于大型政府組織和私人公司致力于減少對鈷的依賴，因此這種追求變得具有競爭力也就不足為奇了。研究人員說，他們通過正確選擇材料組合和精確控制其分布的方式，避免了其他阻礙無鈷高能電池嘗試的問題。

曼西拉姆說：“我們在不犧牲循環壽命的情況下提高了能量密度并降低了成本。” “這意味著電動汽車的行駛距離更長，筆記本電腦和手機的電池壽命更長。”