新型无钴锂离子电池以类似的设计和性能降低了成本

德克萨斯州奥斯汀-几十年来，研究人员一直在寻找从为电子设备提供动力的高能电池中消除钴的方法，因为它的成本很高，而且开采对人权的影响。但过去的尝试并没有达到钴电池的性能标准。

德克萨斯大学奥斯汀分校科克雷尔工程学院的研究人员表示，他们已经破解了一种无钴高能锂离子电池的密码，消除了钴，并为降低电池生产成本打开了大门，同时在某些方面提高了电池的性能。该研究小组报告了一种新的阴极-电池中所有钴通常驻留的电极-基于高镍含量。他们研究中的阴极是89%的镍。锰和铝是其他关键元素。

电池中的镍越多，意味着它可以储存更多的能量。能量密度的增加可以延长手机的电池寿命，或者增加电动汽车每次充电的续航里程。

这项发现发表在本月的“先进材料”杂志上。这篇论文是由沃克机械工程系教授兼德克萨斯材料研究所所长Arumugam Manthiram、博士生Steven Lee和博士生王达·李(Wangda Li)撰写的。

通常，能量密度的增加会导致权衡，比如更短的循环寿命-电池在失去效率和不能再充满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，并导致较低的倍率能力-阴极充电或放电的速度。然而，研究人员表示，通过找到最佳的金属组合并确保离子的均匀分布，他们已经克服了循环寿命短和倍率能力差的问题。

大多数锂离子电池的阴极使用金属离子的组合，如镍-锰-钴(NMC)或镍-钴-铝(NCA)。阴极可以占整个电池材料成本的大约一半，其中钴是最昂贵的元素。以每吨约28,500美元的价格计算，它比镍、锰和铝的总和还要贵，占大多数锂离子电池正极的10%到30%。

“钴是电池阴极中储量最少、价格最贵的成分，”曼蒂拉姆说。“我们正在彻底消除它。”

研究人员突破的关键可以在原子层面找到。在合成过程中，他们能够确保各种金属的离子在阴极的晶体结构中保持均匀分布。Manthiram说，当这些离子聚集在一起时，性能会下降，这个问题一直困扰着以前的无钴高能电池。通过保持离子的均匀分布，研究人员能够避免性能损失。

“我们的目标是只使用丰富和负担得起的金属来取代钴，同时保持性能和安全性，”李说，“并利用可立即扩展的工业合成工艺。”

Manthiram、Li和前博士后研究员埃文·埃里克森(Evan Erickson)与德克萨斯大学的技术商业化办公室合作，成立了一家名为TexPower的初创公司，将这项技术推向市场。研究人员已经获得了美国能源部的拨款，能源部寻求减少对关键电池材料进口的依赖。

工业界已经加入了无钴的努力-最引人注目的是特斯拉(Tesla)为消除为其电动汽车提供动力的电池中的材料所做的努力。随着大型政府组织和私营公司专注于减少对钴的依赖，这一追求变得竞争也就不足为奇了。研究人员表示，通过对材料的正确组合和对其分布的精确控制，他们避免了阻碍其他无钴高能电池尝试的问题。

Manthiram说：“在不牺牲循环寿命的情况下，我们正在提高能量密度和降低成本。”“这意味着电动汽车的行驶里程更长，笔记本电脑和手机的电池续航时间更长。”