鋰基電池使用世界上所有鈷產品的50%以上。這些電池在你的手機,筆記本電腦,甚至你的車裡。世界上約有50%的鈷來自剛果,主要由手工開採,有些則由兒童開採。但是現在,加利福尼亞大學伯克利分校的科學家領導的一個研究小組已經打開了在鋰基電池中使用其他金屬的大門,並且已經構建了比常規材料的鋰儲存容量增加50%的陰極。

鋰電池


“我們為電池技術開闢了一個新的化學空間,”資深作家Gerbrand Ceder,伯克利材料科學與工程系教授說。 “這是我們第一次有一個非常便宜的元件,可以在電池中進行大量的電子交換。”

這項研究將在4月12日的“自然”雜誌上發表。這項工作是加州大學伯克利分校,伯克利實驗室,阿貢國家實驗室,麻省理工學院和加州大學聖克魯斯分校的科學家之間的合作。

在今天的鋰基電池中,鋰離子儲存在陰極(帶負電的電極)中,它們是分層結構。鈷對維持這種分層結構至關重要。當電池充電時,鋰離子被從陰極拉到電池單元的另一側,即陽極。陰極中沒有鋰離子有很大的空間。大多數金屬離子會湧入該空間,這將導致陰極失去其結構。但鈷是少數幾種不會移動的元素之一,對電池行業至關重要。

2014年,Ceder的實驗室發現了一種陰極可以在沒有這些層的情況下保持高能量密度的方式,這種概念被稱為無序岩鹽。這項新研究表明,錳可以在這個概念內發揮作用,這是遠離鈷依賴性的一個很有希望的一步,因為錳存在於泥土中,使其成為一種便宜的元素。

“為了解決鈷的資源問題,你必須擺脫陰極的這種分層,”Ceder說。 “無序陰極使我們可以玩更多的元素週期表。”

在這項新研究中,Ceder的實驗室展示瞭如何使用新技術從陰極獲得大量容量。科學家利用一種稱為氟摻雜的工藝,將大量的錳納入陰極。具有適當電荷的更多的錳離子允許陰極容納更多的鋰離子,從而增加電池的容量。

其他研究小組試圖使用氟摻雜陰極,但尚未成功。 Ceder說他的實驗室在無序結構上的工作是他們成功的關鍵。

陰極性能是以每單位重量的能量來衡量的,稱為每千克瓦時。無序錳陰極每千克接近1000瓦時。典型的鋰離子陰極在每千克500-700瓦時。

“在電池領域,這是一個超過傳統陰極的巨大進步,”主要作者Jinhyuk Lee說,他是研究期間Ceder實驗室的博士後研究員,現在是麻省理工學院的博士後。

該技術需要擴大規模並進行更多測試,以確定它是否可用於筆記本電腦或電動車等應用。但Ceder表示,這項技術是否真正將其放入電池內部並不重要;研究人員為陰極設計開闢了新的可能性,這更為重要。

“你幾乎可以使用元素週期表中的任何元素,因為我們已經證明陰極不必分層,”Ceder說。 “突然間我們有更多的化學自由,我認為這就是真正的興奮之所在,因為現在我們可以對新陰極進行探索。”