无序岩盐研究助力电池突破

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在过去的十年中，无序岩盐一直被研究作为锂离子电池的潜在突破性阴极材料，以及为从手机到电动汽车到可再生能源存储等创造低成本、高能量存储的关键。
麻省理工学院的一项新研究正在确保该材料能够实现这一承诺。
在东京电力公司核工程教授兼材料科学与工程教授李居的带领下，一个研究小组描述了一种新型部分无序岩盐阴极，它与多聚阴离子结合在一起，被称为无序岩盐-多聚阴离子尖晶石，简称DRXPS，可在高电压下提供高能量密度，并显著提高循环稳定性。
核科学与工程系博士后黄一孟表示：“阴极材料的能量密度和循环稳定性通常存在权衡……通过这项工作，我们旨在通过设计新的阴极化学物质来突破极限。”黄一孟是今天在《自然能源》上发表的这项研究的论文的第一作者。
“(该)材料系列具有较高的能量密度和良好的循环稳定性，因为它集成了两大类正极材料，即岩盐和多聚阴离子橄榄石，因此兼具两者的优点。”
李补充说，重要的是，新材料家族主要由锰组成，锰是一种地球上储量丰富的元素，比目前通常用于阴极的镍和钴等元素便宜得多。
“锰的价格至少比镍便宜五倍，比钴便宜三十倍，”李说。“锰也是实现更高能量密度的关键之一，因此让这种材料在地球上更加丰富是一个巨大的优势。”
可再生能源基础设施的可能途径
李和他的合著者写道，当世界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。
电池是这一领域尤为重要的一个组成部分，不仅因为它们有可能通过电动汽车、公共汽车和卡车实现交通脱碳，还因为它们对于解决风能和太阳能间歇性问题至关重要，它可以储存多余的能量，然后在夜间或无风的日子（可再生能源发电量下降）将其反馈回电网。
他们写道，鉴于钴和镍等材料的高成本和相对稀有性，快速扩大电力存储容量的努力可能会导致成本极端飙升，并可能出现严重的材料短缺。
李说：“如果我们想真正实现发电、交通等电气化，我们需要地球上储量丰富的电池来储存间歇性的光伏和风能。我认为这是实现这一梦想的一步。”
三星纳米科学与纳米技术研究杰出主席、加州大学伯克利分校材料科学与工程教授 Gerbrand Ceder 也持有同样的看法。
“锂离子电池是清洁能源转型的关键部分，”Ceder 说道。“正如本文所述，锂离子电池的持续增长和价格下降取决于开发由地球储量丰富的材料制成的廉价、高性能阴极材料。”
克服现有材料的障碍
这项新研究解决了无序岩盐阴极面临的主要挑战之一——氧气流动性。
尽管人们早已认识到这些材料具有非常高的容量——每克高达 350 毫安时——与传统阴极材料相比，后者的容量通常为每克 190 至 200 毫安时，但它们并不是很稳定。
高容量部分归功于氧氧化还原，当阴极充电至高电压时，氧氧化还原被激活。但当发生这种情况时，氧变得可移动，导致与电解质发生反应并导致材料降解，最终在长时间循环后使其完全失效。
为了克服这些挑战，黄添加了另一种元素——磷，它的作用类似于胶水，能将氧气固定在适当位置以减轻降解。
“这里的主要创新和设计背后的理论是，懿盟添加了适量的磷，磷与相邻的氧原子形成所谓的多阴离子，然后将其添加到缺乏阳离子的岩盐结构中，从而将它们固定下来，”李解释说。
“由于磷和氧之间强的共价键，这使得我们基本上可以阻止渗透氧的运输……这意味着我们既可以利用氧气贡献的能力，又具有良好的稳定性。”
李说，将电池充电至更高电压的能力至关重要，因为它可以让更简单的系统来管理它们存储的能量。
“你可以说能量的质量更高，”他说，“每个电池的电压越高，电池组中串联的电池就越少，电池管理系统也就越简单。”
指明未来研究的方向
虽然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的影响，但未来仍有几个研究途径。
黄表示，未来研究的领域包括努力探索制造材料的新方法，特别是从形态和可扩展性的考虑。
“目前，我们正在使用高能球磨进行机械化学合成，……所得的形貌不均匀，平均粒径较小（约 150 纳米）。这种方法的可扩展性也不强，”他说。
“我们正在尝试使用一些替代合成方法来实现更均匀的形态和更大的粒径，这将使我们能够提高材料的体积能量密度，并可能使我们能够探索一些涂层方法……这可以进一步提高电池性能。当然，未来的方法应该是工业可扩展的。”
此外，他说，无序岩盐材料本身并不是特别好的导体，因此添加了大量的碳（高达阴极糊的 20% 重量）来提高其导电性。如果该团队能够在不牺牲性能的情况下降低电极中的碳含量，那么电池中的活性材料含量就会更高，从而提高实际能量密度。
“在这篇论文中，我们只使用了 Super P，这是一种由纳米球组成的典型导电碳，但效率不高，”黄说。“我们现在正在探索使用碳纳米管，这可以将碳含量降低到仅 1% 或 2% 的重量百分比，这可以让我们大幅增加活性阴极材料的数量。”
他补充说，除了降低碳含量外，制作厚电极也是提高电池实际能量密度的另一种方法。这是该团队正在研究的另一个研究领域。
“这只是 DRXPS 研究的开始，因为我们只探索了其广阔成分空间内的少数化学物质，”他继续说道。“我们可以尝试不同比例的锂、锰、磷和氧，以及硼、硅和硫等其他多阴离子形成元素的各种组合。”
他说，通过优化的成分、更具可扩展性的合成方法、更好的形貌以实现均匀的涂层、更低的碳含量和更厚的电极，DRXPS 阴极系列在电动汽车和电网存储应用方面非常有前景，甚至可能在体积能量密度非常重要的消费电子产品中应用。
更多信息： Yimeng Huang 等人，集成岩盐-多阴离子阴极，锂过量，循环稳定，《自然能源》（2024 年）。DOI ：10.1038/s41560-024-01615-6
期刊信息： 《自然能源》