陳根:研究開發鈷元素替代配方,兼顧成本與環保效益

文/陳根

作為一種相對稀有且貴重的重金屬，鈷在當今鋰電池中起著至關重要的作用。幾十年來，由於鈷的高成本和採礦行業對環境和工人健康的負面影響（接觸危險劑量的有毒金屬和自然景觀 / 水源的退化），研究人員一直在尋找從為電子設備供電的高能電池中消除鈷的方法。但是過去的嘗試並沒有達到鈷電池的性能標準。

近日，來自德克薩斯大學奧斯汀分校科克雷爾工程學院的研究人員表示，他們已經破解了無鈷高能鋰離子電池的密碼，消除了鈷元素，打開了降低電池生產成本的大門，同時在某些方面提升了性能。這項發現已發表在本月的《高級材料》雜誌上。

通常，能量密度的增加會導致權衡，比如縮短循環壽命——電池在失去效率和無法再充滿電之前可以充放電的次數。而消除鈷通常會減慢電池的動力學響應，並導致低速率能力——陰極充電或放電的速度。

此外，大多數鋰離子電池的陰極使用金屬離子的組合，如鎳錳鈷（NMC）或鎳鈷鋁（NCA）。陰極大約佔整個電池材料成本的一半，鈷是最昂貴的元素。它的價格約為每噸28500美元，比鎳、錳和鋁的總和還要貴，而且佔大多數鋰離子電池陰極的10%至30%。

而研究人員通過調整配方，換用含鎳 89%、其餘部分由錳、鋁補上的新型電極材料，實現消除對鈷元素的依賴。而電池中的鎳越多，就意味著它能儲存更多的能量。這種能量密度的增加可以延長手機的電池壽命，也可以使電動汽車每次充電的續航裡程更長。

事實上，工業界已經開始推動無鈷化，最明顯的是特斯拉公司努力消除為其電動車提供動力的電池中的物質。隨著大型政府組織和私營公司致力於減少對鈷的依賴，這種追求變得競爭激烈也就不足為奇了。研究人員認為，他們已經避免了阻礙其他無鈷高能電池嘗試的問題，這些問題的創新則在於材料的正確組合和對其分布的精確控制。