鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:361次 | 2023年01月11日
美國(guó)研發(fā)富含錳的電極 以制成更便宜、更安全的電池
:阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室
全球的研究人員都在尋找更便宜、更好的鋰電池材料,為電動(dòng)汽車等大型機(jī)器供應(yīng)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(guò)于昂貴且容量不足,無(wú)法支持電動(dòng)汽車長(zhǎng)距離行駛。
幾十年來(lái),美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(DOEArgonneNationalLaboratory)的研究人員一直在尋找和現(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(guó)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MichaelThackeray自20世紀(jì)80年代初以來(lái)一直進(jìn)行的研究的影響。MichaelThackeray于1981至1982年在牛津大學(xué)攻讀博士后學(xué)位,曾和諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主JohnGoodenough(發(fā)明了鋰鈷氧化物電池)共事。
Goodenough和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(guò)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)于其他鋰電池的3D層狀結(jié)構(gòu)和1D隧道結(jié)構(gòu)。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
在此類早期研發(fā)工作的基礎(chǔ)上,阿貢國(guó)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),和鋰電池中標(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(guó)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和Thackeray的研究還在繼續(xù)為阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行的研究供應(yīng)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(guó)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(guò)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。