为锂离子电池制造高性能无钴正极的策略

锂离子(Li-ion)电池是一种可通过锂离子可逆还原来储存能量的可充电电池，由于其卓越的性能和较长的生命周期，是最广泛使用的电池技术之一。目前许多现有和新兴技术都由这些电池供电，包括智能手机、笔记本电脑和电动汽车。

尽管锂离子电池具有诸多优点，但其价格却变得越来越昂贵，因为它们含有需求量大且难以大量采购的材料，例如钴 (Co) 和镍 (Ni)。因此，电池制造商和能源专家一直在努力寻找需要很少或不需要钴和镍的替代设计，因为它们可以降低锂离子电池的成本并促进其大规模生产。

加州大学欧文分校和美国其他机构的研究人员最近推出了一项新策略，为锂离子电池制造无钴阴极，这种阴极不会对电池的性能产生不利影响。他们的研究发表在《自然能源》杂志上，由美国能源部车辆技术办公室资助。

“我们的项目于 2018 年开始，于 2023 年 3 月结束，”进行这项研究的研究人员之一辛火林 (Huolin Xin) 告诉 Tech Xplore。“当我们开始研究时，整个行业都在致力于超高镍阴极以取代或降低钴的使用量。2019年，镍成为电动汽车行业下一个痛点的问题已经在我脑海中形成，因为我发现Ni的价格已经涨到Co的三分之一了，在2019年底的项目评审会上，我代表团队立下了几个新年决心，其中之一就是打造低Ni 、高锰、无钴阴极，可规避镍的痛点。”

2020 年，Xin 和他的同事设计了一种新策略，以实现高镍 (Ni-80%) 正极活性材料 (CAM) 的零应变。他们的策略基于所谓的浓度复合掺杂，这是一种使用特定化学物质(即掺杂剂)改变材料性能的技术。

“在之前的研究发表在《自然》杂志上之后，我告诉我的团队，我们应该尝试应用这种策略来创建低镍 CAM，”Xin 解释道。“我们很快就成功地证明了浓度复合掺杂策略可以实现商业上可行的低镍、高锰 CAM。

Xin和他的同事提出的浓度复合掺杂策略有几个显着的优点。通过低阳离子混合，正极材料在 C/10 时具有 190 mAh/g 的高容量，在 C/3 时具有 700 wh/kg 的高比能量，以及高热稳定性和长电池生命周期。

“我们提出的策略是低成本，因为它不含钴，镍含量减少了 50%，而且我们使用的主要材料锰很便宜，”辛说。“我们展示了低阳离子混合，可释放高容量(C/10 时为 190 mAh/g)和高比能(C/3 时为 700 wh/kg)、优于 NMC-532 的高热稳定性以及长循环寿命达到 >4000 次循环，这使其与 LFP 电池具有竞争力。”

与其他提出的减少锂离子电池对钴和镍依赖的策略相比，Xin 和他的同事提出的方法不需要在材料表面进行涂层。这使得大规模实施变得更加容易。

在最初的测试中，使用该团队的策略创建的无钴阴极表现非常出色，能够制造出稳定、高效、寿命长的锂离子电池。未来，它可以用于制造更实惠的锂离子电池，用于广泛的应用，同时也可能激发引入类似的基于掺杂的方法来制造无钴电池。

“我们现在正在研发镍/钴含量更低的下一代 CAM，这将再次降低 CAM 材料的成本，”Xin 补充道。