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橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室AEM: 電池行業(yè)鈷問題的前瞻性解決方案

鋰離子電池過度依賴含鈷正極。目前的預(yù)測估計，到2050年將有數(shù)億輛電動汽車上路，而這種不斷增長的需求可能會以驚人的速度耗盡全球鈷儲量。此外，鈷供應(yīng)鏈問題在過去十年中顯著提高了鈷價格。因此，儲能研發(fā)需要減少對鈷的依賴，以滿足對鋰離子電池不斷增長的需求。

在此，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室Ilias Belharouak, Nitin Muralidharan等人綜述了用于鋰離子電池（LIB）的先進(jìn)低鈷/無鈷正極的最新進(jìn)展，特別討論了層狀、尖晶石、橄欖石和無序巖鹽（DRX）正極的性能及與這些材料的放大和制造相關(guān)的挑戰(zhàn)。盡管包括LiMn₂O₄（尖晶石）和LiFePO₄（橄欖石）在內(nèi)的無鈷正極已在某些應(yīng)用中商業(yè)化，但與LiCoO₂相比，這些系統(tǒng)的能量密度較差。

此外，商業(yè)化的富鎳層狀氧化物如NMC和NCA已展示出令人印象深刻的性能，這些材料的無鈷類似物（如NMA和NFA）也顯示出類似的性能。由于其廣泛的成分范圍（不含鈷和鎳），具有高度陽離子無序的DRX正極是下一代 LIB 的另一個有吸引力的選擇，與材料合成和電極制造相關(guān)的眾多挑戰(zhàn)需要系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)調(diào)查，以更好地評估DRX正極的商業(yè)可行性。

圖1. 主流LIB正極的晶體結(jié)構(gòu)及性能

雖然這些無鈷系統(tǒng)顯示出巨大的前景，但實(shí)際應(yīng)用需要進(jìn)一步優(yōu)化材料合成、加工和電池設(shè)計。為了充分發(fā)揮下一代低鈷/無鈷正極的潛力，需要進(jìn)一步研究包括顆粒形貌和微觀結(jié)構(gòu)（如單晶vs多晶粉末）在內(nèi)的關(guān)鍵材料特性對性能（如循環(huán)穩(wěn)定性、比能、日歷壽命和安全性）的影響。同樣，應(yīng)開發(fā)正極涂層和電解液添加劑以穩(wěn)定正極-電解液界面，特別是對于高壓系統(tǒng)。

最重要的是，隨著能源需求的持續(xù)增長，應(yīng)開發(fā)能夠有效回收廢舊鋰電池的技術(shù)，以減少浪費(fèi)并回收有價值的資源。將回收與研發(fā)下一代正極相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)雙管齊下的戰(zhàn)略，從而解決當(dāng)今鋰離子電池對鈷和鎳等關(guān)鍵元素的過度依賴，這是下一個主要挑戰(zhàn)。

圖2. 工業(yè)規(guī)模正極材料制造工藝的示意圖及電池組裝設(shè)備

Next-Generation Cobalt-Free Cathodes-A Prospective Solution to the Battery Industry’s Cobalt Problem, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202103050

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