锂电池中撒点盐：能量密度加3倍！

在锂电池中加盐，可以把能量密度提高三倍！

这个简单朴实甚至带点民科味道的结论，是美国劳伦斯伯克利国家实验室的最新研究成果。

研究人员发现，使用无序岩盐（DRX）制造电池阴极材料，可以明显提升能量密度，还能解决因电池需求飙升导致的镍、钴短缺问题。

多年一直依赖价高且资源稀少镍和钴的锂离子电池，迎来了更加可持续的突破口。

而且值得一提的是，这项新研究的领头人，还是一位本科学成于浙大化学系的华人科学家——Chen Guoying。

在电池阴极材料中来点盐

这种无序岩盐英文名称是Disordered rock salt，是普通食盐的近亲，在地壳中很常见。

△一种岩盐

根据研究，使用无序岩盐再加上一些其他过渡金属，可以完全取代一般三元锂电池阴极材料常用的镍和钴元素。

也就是完全不用镍和钴，无序岩盐+锰依旧能合成动力电池的阴极。

并且，无序岩盐还可以将电池的能量密度增加三倍，提供更长的续航里程。

同时研究人员还发现，无序岩盐拥有很高的组成灵活性，使用任何一种过渡金属都能合成可用的电池阴极，比如锰或者钛，能显著降低电池原材料价格。

众所周知，三元锂电池是当下动力电池的主流类型之一。并且因为能量密度高、热稳定性好，经常被选用高端车型的标配。

其中的钴离子有助于维持阴极氧化物的稳定性，抑制锂镍混排现象，保证电池寿命；镍离子有助于提升能量密度，对于锂电池来说都是关键的组成元素。

那么，为什么要研究新的材料来替代这两种元素？

无序岩盐给出的新选择

需要寻找镍和钴的替代材料，最重要的还是因为两种元素在未来会进入短缺状态。

一般来说，三元锂电池阴极主要由镍钴锰三种元素组成，镍和钴元素的占比通常在70%以上。

△三元电池阴极材料结构，来源：EER

而随着电动汽车市场的不断扩张，三元锂电池需求增长，进而导致对镍、钴元素的需求量猛增。

标普全球最近的一份报告显示，电动汽车的销量从2023年到2027年将翻一番，达到3160万辆，预计到时候钴和镍都会出现短缺。

伍德麦肯兹也曾在去年预测，如果新的采矿项目不见成效，到2030年钴需求将短缺超过15%。

但同时又因为钴和镍在电池材料中的重要性，在真正面临短缺之前，最好先找一些替代。

研究人员们认为，无序岩盐就是非常好的替代材料。

从结构上来说，无序岩盐的晶体结构是立方而非层状，因此不需要钴元素来保持稳定性。

△右边为DRX阴极结构，来源：伯克利实验室

同时，立方的晶体结构又能允许锂离子在三个维度中自由移动，从而可以容纳更多的锂离子，提供更高的能量密度，代替了镍元素的作用。

研究人员也把这种无序岩盐材料称为富锂阴极材料。

而为了更好地研究这种材料，研究人员们还成立了一个无序岩盐联盟。

研究团队简介

联盟在2022年10月成立，由劳伦斯伯克利国家实验室主导。

主要负责人有两位，分别是伯克利实验室电池组研究科学家Chen Guoying和Gerbrand Ceder，同时Ceder也在加州大学伯克利分校担任材料科学与工程系教授。

Chen Guoying本科就读于浙江大学化学专业，1994年毕业后，先后在中国科学院上海有机化学研究所、宾夕法尼亚大学完成有机化学专业硕士和化学专业博士学位。

2002年，Chen Guoying开始在伯克利实验室工作，研究方向为提高锂离子电池的能量密度、循环寿命和安全性，已经在材料化学一流期刊上发布论文超66篇，总被引数达到7668次。

Gerbrand Ceder则是著名锂电大牛，属于世界顶级材料计算专家。

Gerbrand Ceder本科就读于比利时鲁汶大学冶金和应用材料科学专业，毕业后直接读博，1991年在加州大学伯克利分校获得材料科学博士学位。

他曾在麻省理工学院担任材料科学与工程学院教授，后回到加州大学伯克利分校，研究方向包括能源存储（包括锂离子电池、钠离子电池、全固态电池等）、数据挖掘、高通量计算等。

Gerbrand Ceder已经在Nature、Science等顶级期刊上发表论文超过500篇，被引次数超过11.5万次。

目前，无序岩盐联盟成员遍布各个国家实验室和大学，不同团队分别研究计算模型，不断改进化学成分，并开发最适合无序岩盐阴极的电解质。

联盟已经获得美国能源部车辆技术办公室提供的2000万美元（约1.46亿元）资金，目标在未来五年内推出电池级无序岩盐阴极材料，最终实现商业化。

Chen Guoying表示，现在研究的最大挑战是提高无序岩盐阴极材料的循环寿命，目标是达到数千次以上。

等到无序岩盐阴极材料推出，性能高、寿命长、价格低的新型锂电池无疑在电池市场上非常有竞争力。

参考链接：

https://spectrum.ieee.org/lithium-ion-battery-2665763170

责任编辑：落木

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