目前我们的手机、笔记本电脑和电动汽车的电池都有一个主要缺点：它们都依赖于钴。钴是一种很难找到的金属，主要来自非洲的矿山，钴的采集对于当地环境和矿工来说都存在着不少问题。
为了找到摆脱对钴依赖的锂离子电池的其他解决方案，美国阿贡国家实验室的研究团队开发了一种不含钴且更加稳定的阴极材料，基于这项研究的论文发表在9月21日的《自然》杂志上。
作为电池成分，钴具有热稳定性，这意味着它即使被加热到很高的温度也能发挥作用，同时还具有结构稳定性。研究人员一直在寻找可以提供这些相同优点而又没有钴缺陷的不同材料。而这款新阴极则兼具有两个优点：它不含钴且十分稳定，这意味着它不会在反复充电和放电时发生结构故障，例如开裂。
新型无钴锂离子电池（图片来源：Shutterstock/nevodka。）
该材料不使用钴，而是富含镍。这种阴极化学成分复杂，含有少量的各种其他金属包括钼、铌和钛等。
“你可以把建造阴极想象成用不同种类的砖块盖房子，”该论文的合著者、阿贡的物理学家Wenqian Xu“通过使用各种不同形状和大小的砖块，我们可以增强房屋的稳定性。多种元素有助于确保阴极颗粒的完整性。”
研究人员想研究新阴极的结构和热稳定性，因为其他富镍阴极通常耐热性差，容易导致电池材料氧化和热失控，在某些情况下可能导致爆炸。此外，尽管高镍正极可以容纳更大的容量，但反复膨胀和收缩导致的体积变化会导致稳定性差和安全问题。
为了测试新电池，研究人员将其循环了一千多次。他们发现，在这个过程中，正极材料经历了不到0.5%的体积膨胀，这大约是之前富镍阴极经历的体积膨胀的十分之一。
为了测试这种称为HE-LMNO的新型阴极材料的耐热性，加州大学欧文分校团队在APS(先进光子源)上使用光束线11-ID-C研究材料在高温下会发生什么。与之前在高温下表现出严重纳米裂纹的高镍阴极相反，HE-LMNO经历了相变，使其能够继续发挥作用并保持容量。HE-LMNO中的HE代表高熵，这一特性是指合金中包含大量不同元素。
Wenqian Xu表示，这项研究可以为许多新电池阴极提供设计思路，有助于减少下一代锂离子电池对钴的依赖。“我们不仅找到了一种新电池，”他说“真的，通过在结构中混合不同的过渡金属，我们可能会看到更多有趣的阴极候选物。可能会有一些比我们已经发现的更好的东西。”
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