新型无钴锂离子电池可在不牺牲性能的情况下降低成本

几十年来，研究人员一直在寻找从为电子设备供电的高能电池中消除钴的方法，这是由于其高昂的成本以及采矿过程中对人权的影响。但是过去的尝试还没有达到钴电池的性能标准。

德克萨斯大学奥斯汀分校的考克雷尔工程学院的研究人员表示，他们已经将密码破解为无钴高能锂离子电池，消除了钴，为降低电池生产成本同时提高成本打开了大门在某些方面的表现。研究小组报告了一种新型的阴极，即所有钴通常存在的电池中的电极，其镍含量很高。他们研究的阴极是89%的镍。锰和铝是其他关键元素。

电池中更多的镍意味着它可以存储更多的能量。增加的能量密度可以导致手机的电池寿命更长，或者每次充电后电动汽车的续航时间更长。

这一发现发表在本月的《先进材料》杂志上。该论文由沃克机械工程系教授，德克萨斯材料研究所所长Arumugam Manthiram撰写。学生史蒂芬·李(Steven Lee)和博士 毕业于王大利。

通常，增加的能量密度会导致权衡取舍，例如较短的循环寿命-电池在失去效率且无法再完全充电之前可以充电和放电的次数。消除钴通常会减慢电池的动力学响应并导致速率降低(可对阴极充电或放电的速度有多快)。但是，研究人员说，他们已经通过找到金属的最佳组合并确保其离子的均匀分布，克服了循环寿命短和倍率能力差的问题。

锂离子电池的大多数阴极都使用金属离子的组合，例如镍锰钴(NMC)或镍钴铝(NCA)。阴极大约占整个电池材料成本的一半，而钴是最昂贵的元素。它的价格约为每吨28,500美元，比镍，锰和铝的总和还贵，并且占大多数锂离子电池正极的10%至30%。

曼西拉姆说：“钴是电池阴极中含量最少，最昂贵的成分。” “而且我们正在完全消除它。”

研究人员取得突破的关键可以在原子层次上找到。在合成过程中，他们能够确保各种金属离子在阴极的晶体结构中保持均匀分布。Manthiram说，当这些离子聚集成团时，性能会下降，并且这个问题困扰了以前的无钴高能电池。通过使离子均匀分布，研究人员可以避免性能损失。

李说：“我们的目标是在保持性能和安全性的同时，仅使用大量廉价的金属来替代钴，并利用可立即扩展的工业合成工艺。”

Li Manthiram和前博士后研究员Evan Erickson与UT的技术商业化办公室合作，成立了一家名为TexPower的初创公司，将技术推向市场。研究人员已获得美国能源部的资助，该部试图减少关键电池材料对进口的依赖。

工业界已经在无钴的发展上跃跃欲试，最显着的是特斯拉(Tesla)努力消除了为其电动汽车供电的电池中的材料。由于大型政府组织和私人公司致力于减少对钴的依赖，因此这种追求变得具有竞争力也就不足为奇了。研究人员说，他们通过正确选择材料组合和精确控制其分布的方式，避免了其他阻碍无钴高能电池尝试的问题。

曼西拉姆说：“我们在不牺牲循环寿命的情况下提高了能量密度并降低了成本。” “这意味着电动汽车的行驶距离更长，笔记本电脑和手机的电池寿命更长。”