美國研發富含錳的電極 以制成更便宜、更安全的電池
時間:2020-09-29 09:03來源:蓋世汽車 作者:余秋云
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圖片來源：阿貢國家實驗室
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器提供動力。目標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今電池中使用電池材料性能相同甚至更好的材料。據外媒報道，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 Thackeray自20世紀80年代初以來一直進行的研究的影響。Michael Thackeray于1981至1982年在牛津大學攻讀博士后學位，曾與諾貝爾化學獎得主John Goodenough（發明了鋰鈷氧化物電池）共事。
Goodenough與Thackeray合作發現了一種鋰錳氧化物電極，具有“尖晶石型”結構，比Goodenough的鋰鈷氧化物的層狀結構更便宜、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結構中。尖晶石電極含有可快速容納鋰離子的3D通道，因而可實現高功率，優于其他鋰離子電池的3D層狀結構和1D隧道結構。
在此類早期研發工作的基礎上，阿貢國家實驗室的研究人員研發出許多富含錳的材料，包括Thackeray合作研發的富含鋰的鎳錳鈷（NMC）陰極。富含鋰的NMC是一項突破性陰極技術，與鋰離子電池中標準含量的NMC相比，性能和可靠性都得到顯著改善。現在，阿貢國家實驗室已經將NMC技術授權給通用汽車等全球制造商，而雪佛蘭Volt和Bolt車型采用的就是此種陰極材料。
Goodenough與Thackeray的研究還在繼續為阿貢國家實驗室正在進行的研究提供靈感，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行微調，以在陰極中設計出理想的特性。例如，不同的尖晶石型材料可以幫助穩定NMC陰極，并有助于設計出全固態鋰離子電芯和電池的陰極和電解質材料。
目前，阿貢國家實驗室的研究人員正加強對NMC技術的研究，以提高鋰和錳的含量，讓制成的電池優于目前的電池，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是為鋰離子電池制造出結構穩定、富含錳的電極，從而提升電池的續航。通過將尖晶石和新材料結構，研發出性價比的材料，以替代富含鈷和鎳的材料。
(責任編輯：子蕊)
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