在鋰電池中加鹽，可以把能量密度提高三倍！

這個簡單樸實甚至帶點民科味道的結(jié)論，是美國勞倫斯伯克利國家實驗室的最新研究成果。

研究人員發(fā)現(xiàn)，使用無序巖鹽（DRX）制造電池陰極材料，可以明顯提升能量密度，還能解決因電池需求飆升導(dǎo)致的鎳、鈷短缺問題。

多年一直依賴價高且資源稀少鎳和鈷的鋰離子電池，迎來了更加可持續(xù)的突破口。

而且值得一提的是，這項新研究的領(lǐng)頭人，還是一位本科學(xué)成于浙大化學(xué)系的華人科學(xué)家——Chen Guoying。

在電池陰極材料中來點鹽

這種無序巖鹽英文名稱是Disordered rock salt，是普通食鹽的近親，在地殼中很常見。

△一種巖鹽

根據(jù)研究，使用無序巖鹽再加上一些其他過渡金屬，可以完全取代一般三元鋰電池陰極材料常用的鎳和鈷元素。

也就是完全不用鎳和鈷，無序巖鹽+錳依舊能合成動力電池的陰極。

并且，無序巖鹽還可以將電池的能量密度增加三倍，提供更長的續(xù)航里程。

同時研究人員還發(fā)現(xiàn)，無序巖鹽擁有很高的組成靈活性，使用任何一種過渡金屬都能合成可用的電池陰極，比如錳或者鈦，能顯著降低電池原材料價格。

眾所周知，三元鋰電池是當(dāng)下動力電池的主流類型之一。并且因為能量密度高、熱穩(wěn)定性好，經(jīng)常被選用高端車型的標(biāo)配。

其中的鈷離子有助于維持陰極氧化物的穩(wěn)定性，抑制鋰鎳混排現(xiàn)象，保證電池壽命；鎳離子有助于提升能量密度，對于鋰電池來說都是關(guān)鍵的組成元素。

那么，為什么要研究新的材料來替代這兩種元素？

無序巖鹽給出的新選擇

需要尋找鎳和鈷的替代材料，最重要的還是因為兩種元素在未來會進(jìn)入短缺狀態(tài)。

一般來說，三元鋰電池陰極主要由鎳鈷錳三種元素組成，鎳和鈷元素的占比通常在70%以上。

△三元電池陰極材料結(jié)構(gòu)，來源：EER

而隨著電動汽車市場的不斷擴(kuò)張，三元鋰電池需求增長，進(jìn)而導(dǎo)致對鎳、鈷元素的需求量猛增。

標(biāo)普全球最近的一份報告顯示，電動汽車的銷量從2023年到2027年將翻一番，達(dá)到3160萬輛，預(yù)計到時候鈷和鎳都會出現(xiàn)短缺。

伍德麥肯茲也曾在去年預(yù)測，如果新的采礦項目不見成效，到2030年鈷需求將短缺超過15%。

但同時又因為鈷和鎳在電池材料中的重要性，在真正面臨短缺之前，最好先找一些替代。

研究人員們認(rèn)為，無序巖鹽就是非常好的替代材料。

從結(jié)構(gòu)上來說，無序巖鹽的晶體結(jié)構(gòu)是立方而非層狀，因此不需要鈷元素來保持穩(wěn)定性。

△右邊為DRX陰極結(jié)構(gòu)，來源：伯克利實驗室

同時，立方的晶體結(jié)構(gòu)又能允許鋰離子在三個維度中自由移動，從而可以容納更多的鋰離子，提供更高的能量密度，代替了鎳元素的作用。

研究人員也把這種無序巖鹽材料稱為富鋰陰極材料。

而為了更好地研究這種材料，研究人員們還成立了一個無序巖鹽聯(lián)盟。

研究團(tuán)隊簡介

聯(lián)盟在2022年10月成立，由勞倫斯伯克利國家實驗室主導(dǎo)。

主要負(fù)責(zé)人有兩位，分別是伯克利實驗室電池組研究科學(xué)家Chen Guoying和Gerbrand Ceder，同時Ceder也在加州大學(xué)伯克利分校擔(dān)任材料科學(xué)與工程系教授。

Chen Guoying本科就讀于浙江大學(xué)化學(xué)專業(yè)，1994年畢業(yè)后，先后在中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所、賓夕法尼亞大學(xué)完成有機(jī)化學(xué)專業(yè)碩士和化學(xué)專業(yè)博士學(xué)位。

2002年，Chen Guoying開始在伯克利實驗室工作，研究方向為提高鋰離子電池的能量密度、循環(huán)壽命和安全性，已經(jīng)在材料化學(xué)一流期刊上發(fā)布論文超66篇，總被引數(shù)達(dá)到7668次。

Gerbrand Ceder則是著名鋰電大牛，屬于世界頂級材料計算專家。

Gerbrand Ceder本科就讀于比利時魯汶大學(xué)冶金和應(yīng)用材料科學(xué)專業(yè)，畢業(yè)后直接讀博，1991年在加州大學(xué)伯克利分校獲得材料科學(xué)博士學(xué)位。

他曾在麻省理工學(xué)院擔(dān)任材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，后回到加州大學(xué)伯克利分校，研究方向包括能源存儲（包括鋰離子電池、鈉離子電池、全固態(tài)電池等）、數(shù)據(jù)挖掘、高通量計算等。

Gerbrand Ceder已經(jīng)在Nature、Science等頂級期刊上發(fā)表論文超過500篇，被引次數(shù)超過11.5萬次。

目前，無序巖鹽聯(lián)盟成員遍布各個國家實驗室和大學(xué)，不同團(tuán)隊分別研究計算模型，不斷改進(jìn)化學(xué)成分，并開發(fā)最適合無序巖鹽陰極的電解質(zhì)。

聯(lián)盟已經(jīng)獲得美國能源部車輛技術(shù)辦公室提供的2000萬美元（約1.46億元）資金，目標(biāo)在未來五年內(nèi)推出電池級無序巖鹽陰極材料，最終實現(xiàn)商業(yè)化。

Chen Guoying表示，現(xiàn)在研究的最大挑戰(zhàn)是提高無序巖鹽陰極材料的循環(huán)壽命，目標(biāo)是達(dá)到數(shù)千次以上。

等到無序巖鹽陰極材料推出，性能高、壽命長、價格低的新型鋰電池?zé)o疑在電池市場上非常有競爭力。

參考鏈接：

https://spectrum.ieee.org/lithium-ion-battery-2665763170

責(zé)任編輯：落木