新技术可能会让钴电池世界摆脱困境
锂基电池使用世界上所有钴产品的50％以上。这些电池在你的手机，笔记本电脑，甚至你的车里。世界上约有50％的钴来自刚果，主要由手工开采，有些则由儿童开采。但是现在，由加州大学伯克利分校的科学家领导的一个研究小组打开了在锂基电池中使用其他金属的大门，并且已经构建了比传统材料锂储存容量增加50％的阴极。
“我们为电池技术开辟了一个新的化学空间，”资深作家Gerbrand Ceder，伯克利材料科学与工程系教授说。 “这是我们第一次有一个非常便宜的元件，可以在电池中进行大量的电子交换。”
这项研究将在4月12日的“自然”杂志上发表。这项工作是加州大学伯克利分校，伯克利实验室，阿贡国家实验室，麻省理工学院和加州大学圣克鲁斯分校的科学家之间的合作。
在今天的锂基电池中，锂离子储存在阴极（带负电的电极）中，它们是分层结构。钴对维持这种分层结构至关重要。当电池充电时，锂离子被从阴极拉到电池单元的另一侧，即阳极。阴极中没有锂离子有很大的空间。大多数金属离子会涌入该空间，这将导致阴极失去其结构。但钴是少数几种不会移动的元素之一，对电池行业至关重要。
2014年，Ceder的实验室发现了一种阴极可以在没有这些层的情况下保持高能量密度的方式，这种概念被称为无序岩盐。这项新研究表明，锰可以在这个概念内发挥作用，这是远离钴依赖性的一个很有希望的一步，因为锰在灰尘中被发现，使它成为一种便宜的元素。
“为了解决钴的资源问题，你必须摆脱阴极的这种分层，”Ceder说。 “无序的阴极让我们可以玩更多的元素周期表。”
在这项新研究中，Ceder的实验室展示了如何使用新技术从阴极获得大量容量。科学家利用一种称为氟掺杂的工艺，将大量的锰纳入阴极。具有适当电荷的更多的锰离子允许阴极容纳更多的锂离子，从而增加电池的容量。
其他研究小组试图使用氟掺杂阴极，但尚未取得成功。 Ceder说他的实验室在无序结构上的工作是他们成功的关键。
阴极性能是以每单位重量的能量来衡量的，称为每千克瓦时。无序锰阴极每千克接近1000瓦时。典型的锂离子阴极在每千克500-700瓦时。
“在电池领域，这是一个超过传统阴极的巨大进步，”主要作者Jinhyuk Lee说，他是研究期间Ceder实验室的博士后研究员，现在是麻省理工学院的博士后。
该技术需要扩大规模并进行更多测试，以确定它是否可用于笔记本电脑或电动车等应用。但Ceder表示，这项技术是否真正将其放入电池内部并不重要;研究人员为阴极设计开辟了新的可能性，这更为重要。
“你几乎可以使用元素周期表中的任何元素，因为我们已经证明阴极不必分层，”Ceder说。 “突然间我们有了更多的化学自由，我认为这就是真正的兴奋之所在，因为现在我们可以对新阴极进行探索。”
