美国研发富含锰的电极 以制成更便宜、更安全的电池
时间:2020-09-29 09:03来源:盖世汽车 作者:余秋云
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图片来源：阿贡国家实验室
全球的研究人员都在寻找更便宜、更好的锂离子电池材料，为电动汽车等大型机器提供动力。目标之一就是找到锂金属氧化物电极的替代品，取代含钴的电极。钴是手机和笔记本电脑电池中常见的一种元素，但是过于昂贵且容量不足，无法支持电动汽车长距离行驶。
几十年来，美国能源部阿贡国家实验室（DOE Argonne National Laboratory）的研究人员一直在寻找与现今电池中使用电池材料性能相同甚至更好的材料。据外媒报道，阿贡国家实验室正在研究富含锰的化合物，因为锰储量丰富且便宜；锂锰氧化物也很安全，但能量密度低于钴氧化物。
该实验室对富含锰的材料的研究受到了实验室退休研究员Michael Thackeray自20世纪80年代初以来一直进行的研究的影响。Michael Thackeray于1981至1982年在牛津大学攻读博士后学位，曾与诺贝尔化学奖得主John Goodenough（发明了锂钴氧化物电池）共事。
Goodenough与Thackeray合作发现了一种锂锰氧化物电极，具有“尖晶石型”结构，比Goodenough的锂钴氧化物的层状结构更便宜、更安全，不过性能更差。此种“尖晶石”材料被放置在一个立方体、紧凑的3D结构中。尖晶石电极含有可快速容纳锂离子的3D通道，因而可实现高功率，优于其他锂离子电池的3D层状结构和1D隧道结构。
在此类早期研发工作的基础上，阿贡国家实验室的研究人员研发出许多富含锰的材料，包括Thackeray合作研发的富含锂的镍锰钴（NMC）阴极。富含锂的NMC是一项突破性阴极技术，与锂离子电池中标准含量的NMC相比，性能和可靠性都得到显著改善。现在，阿贡国家实验室已经将NMC技术授权给通用汽车等全球制造商，而雪佛兰Volt和Bolt车型采用的就是此种阴极材料。
Goodenough与Thackeray的研究还在继续为阿贡国家实验室正在进行的研究提供灵感，研究人员正将纳米级尖晶石型材料集成到阴极中，并对尖晶石的性能进行微调，以在阴极中设计出理想的特性。例如，不同的尖晶石型材料可以帮助稳定NMC阴极，并有助于设计出全固态锂离子电芯和电池的阴极和电解质材料。
目前，阿贡国家实验室的研究人员正加强对NMC技术的研究，以提高锂和锰的含量，让制成的电池优于目前的电池，并提高电池的能量密度和安全性，同时降低成本。该项研究的最终目标是为锂离子电池制造出结构稳定、富含锰的电极，从而提升电池的续航。通过将尖晶石和新材料结构，研发出性价比的材料，以替代富含钴和镍的材料。
(责任编辑：子蕊)
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