目前，全球許多汽車公司都在投資開發(fā)電動汽車，這將有助于減少溫室氣體排放。電動汽車需要使用具有高性能、耐用性和能效的大型可充電電池。然而，近年來由于原材料供不應(yīng)求，尤其是作為主要正極成分的鈷(Co)，電池成本不斷上漲。工程師和化學(xué)家一直在尋找替代材料，以取代普通正極中的鈷，用于可充電電池。為了有效替代鈷，這些材料應(yīng)具有類似性能，但成本更低或更易獲得。


據(jù)外媒報道，美國阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）和中國北京大學(xué)深圳研究生院的研究人員進行了一項研究，以更好地了解鈷在可充電電池中所起的作用，為設(shè)計新的無鈷正極提供信息。

研究人員表示：“我們探討鈷在專門設(shè)計的系統(tǒng)中起到的作用，如富鈷正極和用錳替代的無鈷正極。”

目前提出的許多無鈷正極中都含有大量鋰或鎂，其中一些很有希望取代鈷基正極，但因容量和穩(wěn)定性不足，往往不適合大規(guī)模投入商用。因此，大多數(shù)探索無鈷替代材料的研究都集中在層狀氧化物正極上，例如富鎳層狀氧化物正極。通常情況下，富鎳層狀氧化物正極具有高容量和高能量密度。但是，直接用鎳取代鈷已證實不可行，因為這會導(dǎo)致電池的性能和熱穩(wěn)定性大幅下降。在本次研究中，研究人員希望深入了解，為什么鈷能在電池正極中發(fā)揮如此重要的作用。并在此基礎(chǔ)上，找到可以實現(xiàn)類似性能的可替代性富鎳成分，為可充電電池設(shè)計更好的無鈷正極。

研究人員通過最先進的方法來識別鈷的內(nèi)在屬性，并將相關(guān)過程與富鎳無鈷正極中發(fā)生的過程進行比較。以往研究表明，正極中含有大量鎳，可能導(dǎo)致電池容量衰減得更快。然而，本次研究發(fā)現(xiàn)，在高電壓下，鈷實際上比鎳更具破壞性。研究人員表示：“我們的研究結(jié)果顯示，鈷在快速容量和/或結(jié)構(gòu)退化方面起到了不可否認的作用，并且鈷在高電壓下比鎳更具破壞性。”此外，用錳替代鈷，可以有效減輕破壞性影響，并實現(xiàn)更好的高電壓性能。

總體而言，該團隊發(fā)現(xiàn)一系列形態(tài)和結(jié)構(gòu)降解機制，可以解釋為什么富鈷正極的容量隨著時間推移迅速衰減。這項研究對于設(shè)計高性能、低成本的無鈷電池具有重要的指導(dǎo)意義。在這些發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，研究人員提出一系列無鈷正極材料，并驗證這些材料具有良好的性能，將來有望應(yīng)用于可充電電池，并大規(guī)模投入商用。