[技术前沿]无序的岩盐可能使电动汽车电池的能量密度增加三倍

[技术前沿]无序的岩盐可能使电动汽车电池的能量密度增加三倍

随着汽车、卡车和公共汽车（甚至飞机和火车）越来越多地从燃烧化石燃料转向使用电池，对关键电池金属的需求开始飙升。根据市场情报公司S&P Global最近的一份报告

（https://www.spglobal.com/marketintelligence/en/campaigns/battery-metals-market），电动汽车的销量预计将在2023年至2027年间翻一番，到2024年将引发锂短缺，到2027年将引发镍和钴短缺，镍和钴是当今锂电池阴极的两种关键成分。

研究人员正试图制造出使用较少这些关键金属的阴极，或者完全取代它们。一个团队认为，他们可能找到了合适的材料：无序岩盐（DRX） —— 食盐的“表亲”。由劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）领导的DRX联盟目前正竞相将这种有前景的新型阴极竞争者商业化，计划在不到五年的时间内展示电动汽车电池的DRX阴极。

DRX阴极可以生产出比现在更具单位重量能量的锂离子电池，这将使车辆的续航里程更长。这些阴极可以在没有钴和镍的情况下提供这种能量密度优势。DRX联盟最早的一些配方是用锰或钛制成的，它们都比镍和钴便宜。

伯克利实验室的研究科学家Guoying Chen表示：“你可以使用很多不同的过渡金属 —— 元素要丰富得多，我们也很容易获得。这些年来，传统的锂离子正极材料一直依赖镍和钴，但现在我们突然有了一个多功能、灵活的空间。可持续性确实成为了一大优势。”他与加州大学伯克利分校材料科学与工程教授Gerbrand Ceder共同领导该联盟。

当今电池中使用的高密度阴极是由锂金属氧化物制成的。它们的晶体结构由锂与钴、镍和其他金属交替的重复层组成。锂离子很容易滑入和滑出层之间的间隙，而钴离子就像支撑柱一样，使结构稳定。Chen说：“如果你不使用钴之类的东西，当你对这些材料进行充电和放电时，层状结构就不那么稳定了。”这就是为什么完全去除钴一直是一个挑战，尽管几个制造无钴阴极的研究项目正在进行中。

“All these years, traditional lithium-ion cathode materials have relied on nickel and cobalt, but now all of a sudden we have a versatile, flexible space.”

—GUOYING CHEN, RESEARCH SCIENTIST, BERKELEY LAB

但在所有电池金属中，钴是一个特别棘手的金属。世界上一半以上的钴来自刚果民主共和国，那里的采矿做法引起了人们对环境和人权问题的担忧。使用更好的方法在世界新地区寻找钴和其他电池金属是一种解决方案。从海洋采矿是另一回事，但它也子某种程度上能够解决问题。

DRX材料不需要钴来获得稳定性，因为它们具有立方而非层状的晶体结构。锂离子在材料中以三维渗透，而不是像在传统的层状阴极材料中那样以二维渗透。Chen说，这意味着DRX阴极可以“填充更多的锂离子，这就是为什么它们能提供更高的能量密度”。我们称之为锂过剩的正极材料。”

Ceder和他的同事于2014年

（https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/EE/C5EE02329G）首次报道了DRX材料在计算研究中显示出足够的锂离子存储前景，研究人员对这些材料进行了为期四年的深入研究

（energy.gov/eere/vehicles/articles/deep-dive-next-generation-cathode-materials-2b-new-class-materials）。该团队随后于2022年10月成立了DRX联盟，美国能源汽车技术办公室提供了2000万美元的资金。

该联盟分布在美国能源部的各个国家实验室和大学。不同的团队正在进行计算建模，以得出新的和改进的DRX阴极化学成分；制作材料并对其进行实验测试，以表征和改进它们；进而开发最适合电池中DRX阴极的新型电解质。

Chen说，研究人员必须克服的最大挑战是制造能够持续数千次充电循环的稳定材料。“我们的材料表现出了良好的性能，但我们正在研究的一件主要事情是使用DRX材料来提高电池的循环寿命，希望这些材料在电动汽车电池中使用很长时间。”

文章来源：IEEE电气电子工程师