新型电池正极材料或将彻底改变电动汽车市场和能源存储

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由佐治亚理工学院的陈海龙领导的多机构研究团队开发出了一种新型低成本阴极，可以从根本上改善锂离子电池 (LIB)——有可能改变电动汽车 (EV) 市场和大型储能系统。
“长期以来，人们一直在寻找一种成本更低、更可持续的现有阴极材料替代品。我认为我们已经找到了。”乔治·W·伍德拉夫机械工程学院和材料科学与工程学院副教授陈说。
这种革命性材料氯化铁 (FeCl 3 ) 的成本仅为典型阴极材料的 1%–2% ，但可以存储相同数量的电量。阴极材料会影响容量、能量和效率，在电池的性能、寿命和价格承受能力方面发挥着重要作用。
陈教授的团队在《自然可持续性》杂志上描述了他们的研究成果，他说：“我们的阴极可以改变游戏规则。它将极大地改善电动汽车市场以及整个锂离子电池市场。”
20 世纪 90 年代初，索尼首次将锂离子电池商业化，并由此引发了智能手机和平板电脑等个人电子产品的爆炸式增长。该技术最终发展成为电动汽车燃料，提供可靠、可充电、高密度的能源。但与个人电子产品不同，电动汽车等大规模能源用户对锂离子电池的成本尤其敏感。
目前，电池约占电动汽车总成本的 50%，这使得这些清洁能源汽车比排放温室气体的内燃机汽车更昂贵。陈团队的发明可能会改变这一现状。
制造更好的电池
与老式碱性电池和铅酸电池相比，锂离子电池体积更小，储存的能量更多，充电间隔时间更长。但锂离子电池含有昂贵的金属，包括钴和镍等半贵金属，制造成本较高。
到目前为止，只有四种类型的阴极已成功商业化应用于 LIB。陈教授的阴极将是第五种，它将代表电池技术的一大进步：全固态 LIB 的开发。
传统的锂离子电池使用液体电解质来传输锂离子，以储存和释放能量。它们对可储存的能量有严格的限制，而且可能会泄漏和着火。但全固态锂离子电池使用固体电解质，大大提高了电池的效率和可靠性，使其更安全，能够容纳更多的能量。这些电池仍处于开发和测试阶段，将是一个相当大的进步。
随着全球研究人员和制造商竞相将全固态技术付诸实践，陈和他的同事开发出了一种经济实惠且可持续的解决方案。借助 FeCl 3阴极、固体电解质和锂金属阳极，他们的整个电池系统的成本仅为当前 LIB 的 30%–40%。
“这不仅可以使电动汽车比内燃机汽车便宜得多，而且还提供了一种新的、有前途的大规模储能形式，增强了电网的弹性，”陈说。“此外，我们的阴极将大大提高电动汽车市场的可持续性和供应链稳定性。”
新发现的良好开端
陈对 FeCl 3作为阴极材料的兴趣源于其实验室对固体电解质材料的研究。从 2019 年开始，他的实验室尝试使用氯化物基固体电解质和传统商用氧化物基阴极制造固态电池。结果并不顺利——阴极和电解质材料无法兼容。
研究人员认为，氯化物基阴极可以与氯化物电解质更好地匹配，从而提供更好的电池性能。
陈说：“我们发现了一种值得尝试的候选材料（FeCl 3），因为它的晶体结构可能适合储存和运输锂离子，而且幸运的是，它的功能符合我们的预期。”
目前，电动汽车中最常用的阴极是氧化物，需要大量昂贵的镍和钴，这些重元素可能有毒并对环境构成挑战。相比之下，陈团队的阴极只含有铁 (Fe) 和氯 (Cl)——这两种元素储量丰富、价格低廉，广泛用于钢铁和食盐中。
在初步测试中，FeCl 3 的表现与其他价格高得多的阴极一样好，甚至更好。例如，它的工作电压比常用的阴极 LiFePO 4（磷酸铁锂，简称 LFP）更高，这是电池连接到设备时提供的电力，类似于花园软管的水压。
这项技术可能在不到五年的时间内就能在电动汽车中实现商业可行性。陈表示，目前该团队将继续研究 FeCl 3及其相关材料。这项研究由陈和博士后刘占涛（该研究的主要作者）领导。
合作者包括佐治亚理工学院伍德拉夫学院（朱婷）和地球与大气科学学院（唐元志）的研究人员，以及橡树岭国家实验室（刘珏）和休斯顿大学（陈硕）的研究人员。
“我们希望在实验室中制造出尽可能完美的材料，并了解其潜在的功能机制，”陈说。“但我们愿意抓住机会扩大该技术规模，并将其推向商业应用。”