目前電動(dòng)汽車的電池中需要使用鈷。這種金屬的儲(chǔ)量有限，而且成本較高。據(jù)外媒報(bào)道，為了找到不依賴鈷的其他鋰離子電池解決方案，美國能源部（DOE）阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員參與了一項(xiàng)合作研究，以確定潛在的電池正極新材料。

（圖片來源：阿貢實(shí)驗(yàn)室）

這種新型正極不含鈷且穩(wěn)定，在反復(fù)充放電時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)裂紋等問題。

作為電池的構(gòu)成部分，鈷具有熱穩(wěn)定性，即使加熱到更高的溫度，也能正常工作，并提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。研究人員一直在尋找不同的材料，既具有同等優(yōu)勢，而不存在鈷的缺陷。

在這項(xiàng)新研究中，由加州大學(xué)歐文分校（University of California, Irvine）負(fù)責(zé)的研究團(tuán)隊(duì)制造并分析了一種鋰離子正極材料，這種材料不使用鈷，而是富含鎳。另外，這種正極的化學(xué)成分較復(fù)雜，含有少量其他金屬（包括鉬、鈮和鈦）。

該團(tuán)隊(duì)使用了先進(jìn)光子源（APS）的資源，APS是美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)辦公室用戶設(shè)施。阿貢物理學(xué)家Wenqian Xu表示：“可以把構(gòu)建正極想象成用不同種類的磚建造一座房子。使用不同形狀和大小的磚，能夠增強(qiáng)房子的穩(wěn)定性。使用多種元素，有助于確保正極顆粒的完整性?！?/p>

研究人員想要研究這種新型正極的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性。其他富鎳正極的耐熱性通常較差，可能導(dǎo)致電池材料發(fā)生氧化和熱失控，甚至是爆炸現(xiàn)象。此外，高鎳正極可以容納更大的容量，但由于反復(fù)擴(kuò)張和收縮，體積變化很大，可能出現(xiàn)穩(wěn)定性和安全方面的問題。 

為了測試新電池，研究人員使其循環(huán)了一千多次。在這個(gè)過程中，正極材料的體積膨脹不到0.5%，大約是以前富鎳正極的十分之一。之前的富鎳正極都存在不同程度的穩(wěn)定性問題。阿貢物理學(xué)家Tianyi Li表示：“保持正極體積的一致性，是確保其穩(wěn)定性的關(guān)鍵?！?/p>

這種新型正極材料名為HE-LMNO。為了表征其耐熱性，加州大學(xué)歐文分校的研究人員使用APS的光束線11-ID-C，以檢查高溫下材料會(huì)發(fā)生什么。之前的高鎳正極在高溫下會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的納米裂紋。與之不同，LHE-LMNO經(jīng)歷了相變，能夠繼續(xù)運(yùn)行并保持容量。HE-LMNO中的HE代表高熵（指合金中含有大量不同的元素）。

加州大學(xué)歐文分校的Huolin Xin表示，“研究結(jié)果表明，高熵效應(yīng)可以轉(zhuǎn)移到更廣泛類別的化合物上，這些化合物是構(gòu)成新電池材料的基礎(chǔ)。”

對于新的電池正極設(shè)計(jì)，這項(xiàng)研究提出的方法有助于減少下一代鋰離子電池對鈷的依賴。Xu表示：“研究人員還沒有發(fā)現(xiàn)新的電池。通過在結(jié)構(gòu)中混合不同的過渡金屬，可能會(huì)看到更多有趣的正極選項(xiàng)電池。”

為了制造實(shí)驗(yàn)所需的電極，研究人員使用了阿貢的電芯分析、建模和原型（CAMP）設(shè)施。阿貢電池研究人員Steve Trask表示：“這種方法能夠提供基準(zhǔn)電極，并使用試點(diǎn)規(guī)模設(shè)備驗(yàn)證有前景的化學(xué)物質(zhì)，對評估先進(jìn)材料具有重要意義?！?/p>