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美國研發(fā)富含錳的電極以制成更便宜、更安全的電池

時(shí)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(shí)驗(yàn)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(dòng)汽車等大型機(jī)器提供動(dòng)力。目標(biāo)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(jī)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(dòng)汽車長(zhǎng)距離行駛。

幾十年來，美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（DOE Argonne National Laboratory）的研究人員一直在尋找與現(xiàn)今電池中使用電池材料性能相同甚至更好的材料。據(jù)外媒報(bào)道，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室正在研究富含錳的化合物，因?yàn)殄i儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)室對(duì)富含錳的材料的研究受到了實(shí)驗(yàn)室退休研究員Michael Thackeray自20世紀(jì)80年代初以來一直進(jìn)行的研究的影響。Michael Thackeray于1981至1982年在牛津大學(xué)攻讀博士后學(xué)位，曾與諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主John Goodenough（發(fā)明了鋰鈷氧化物電池）共事。

Goodenough與Thackeray合作發(fā)現(xiàn)了一種鋰錳氧化物電極，具有“尖晶石型”結(jié)構(gòu)，比Goodenough的鋰鈷氧化物的層狀結(jié)構(gòu)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(gè)立方體、緊湊的3D結(jié)構(gòu)中。尖晶石電極含有可快速容納鋰離子的3D通道，因而可實(shí)現(xiàn)高功率，優(yōu)于其他鋰離子電池的3D層狀結(jié)構(gòu)和1D隧道結(jié)構(gòu)。

在此類早期研發(fā)工作的基礎(chǔ)上，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員研發(fā)出許多富含錳的材料，包括Thackeray合作研發(fā)的富含鋰的鎳錳鈷（NMC）陰極。富含鋰的NMC是一項(xiàng)突破性陰極技術(shù)，與鋰離子電池中標(biāo)準(zhǔn)含量的NMC相比，性能和可靠性都得到顯著改善。現(xiàn)在，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)將NMC技術(shù)授權(quán)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(xù)為阿貢國家實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行的研究提供靈感，研究人員正將納米級(jí)尖晶石型材料集成到陰極中，并對(duì)尖晶石的性能進(jìn)行微調(diào)，以在陰極中設(shè)計(jì)出理想的特性。例如，不同的尖晶石型材料可以幫助穩(wěn)定NMC陰極，并有助于設(shè)計(jì)出全固態(tài)鋰離子電芯和電池的陰極和電解質(zhì)材料。

目前，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員正加強(qiáng)對(duì)NMC技術(shù)的研究，以提高鋰和錳的含量，讓制成的電池優(yōu)于目前的電池，并提高電池的能量密度和安全性，同時(shí)降低成本。該項(xiàng)研究的最終目標(biāo)是為鋰離子電池制造出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、富含錳的電極，從而提升電池的續(xù)航。通過將尖晶石和新材料結(jié)構(gòu)，研發(fā)出性價(jià)比的材料，以替代富含鈷和鎳的材料。

(責(zé)任編輯：子蕊)

文章標(biāo)簽：電池電池材料含錳電極

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