在东京电力公司核工程教授、材料科学与工程教授 Ju Li 的领导下，一个研究小组描述了一种新型的部分无序岩盐阴极，这种阴极集成了多阴离子，被称为无序岩盐-多阴离子尖晶石（DRXPS），可以在高电压下提供高能量密度，同时显著提高循环稳定性。
该项研究发表在 Nature Energy 上，论文的第一作者 Yimeng Huang 表示，阴极材料通常需要在能量密度和循环稳定性之间做出权衡......我们的目标是通过设计新的阴极化学物质来突破这一难题。这个材料家族具有高能量密度和良好的循环稳定性，因为它整合了岩盐和多阴离子橄榄石这两种主要类型的阴极材料，因此具有这两种材料的优点。重要的是，新材料系列主要由锰组成，锰是一种富含地球的元素，其价格大大低于目前阴极通常使用的镍和钴等元素。锰的价格至少比镍低五倍，比钴低约 30 倍，锰也是实现更高能量密度的关键之一，因此这种材料在地球上的富集程度更高，这是一个巨大的优势。
通往可再生能源基础设施的可行之路
在全球寻求建设低碳或无碳未来所需的可再生能源基础设施时，这一优势将尤为重要。电池在其中扮演着尤为重要的角色，这不仅是因为电池具有利用电动汽车、公共汽车和卡车实现交通去碳化的潜力，还因为电池对于解决风能和太阳能发电的间歇性问题至关重要，因为电池可以储存多余的能量，然后在夜间或风平浪静的日子里，当可再生能源发电量下降时，将多余的能量输入电网。鉴于钴和镍等材料的高成本和相对稀缺性，快速扩大电力存储容量的努力很可能会导致极端的成本激增和潜在的严重材料短缺。
研究人员表示："如果我们想真正实现能源生产、运输等方面的电气化，我们就需要地球上丰富的电池来存储间歇性的光伏和风能。”
三星纳米科学与纳米技术研究特聘教授、加州大学伯克利分校材料科学与工程学教授 Gerbrand Ceder 也有同感。
“锂离子电池是清洁能源转型的关键部分，"Ceder 说。“锂离子电池的持续增长和价格下降取决于由地球富集材料制成的廉价、高性能阴极材料的开发，就像这项工作中介绍的那样。
克服现有材料的障碍
新研究解决了无序岩盐阴极面临的主要挑战之一--氧迁移率。虽然这种材料长期以来一直被认为具有极高的容量--高达每克 350 毫安培小时--与传统阴极材料相比（传统阴极材料的容量通常在每克 190 到 200 毫安培小时之间），但它们并不十分稳定。
高容量的部分原因是氧的氧化还原作用，当阴极充电到高电压时，氧会被激活。但是，当发生这种情况时，氧气就会流动，导致与电解质发生反应，并使材料降解，最终使其在长时间循环后变得毫无用处。为了克服这些挑战，Huang 添加了另一种元素--磷--它本质上就像胶水一样，可以将氧固定在原处，从而缓解降解。
为未来研究指明方向
虽然这项研究中描述的阴极材料可能会对锂离子电池技术产生变革性影响，但仍有几条研究途径有待继续探索。未来的研究领域包括努力探索制造这种材料的新方法，特别是在形态和可扩展性方面的考虑。
现在使用高能球磨进行机械化学合成，结果是形态不均匀，平均粒径较小（约 150 纳米）。这种方法的可扩展性也不高，研究人员正在尝试使用一些替代合成方法来获得更均匀的形态和更大的颗粒尺寸，能够提高材料的体积能量密度，并探索一些涂层方法，从而进一步提高电池性能。当然，未来的方法应具有工业可扩展性。
此外，无序岩盐材料本身并不是一种特别好的导体，因此需要添加大量的碳--多达阴极浆料重量的20%--以提高其导电性。如果研究小组能在不影响性能的前提下减少电极中的碳含量，那么电池中的活性物质含量就会更高，从而提高实际能量密度。
原文链接：More information: Yimeng Huang et al, Integrated rocksalt–polyanion cathodes with excess lithium and stabilized cycling, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01615-6
