如何让锂电池保持"王者之位"？新材料可构建不含钴或镍的阴极

随着时间的推移，我们的现代世界越来越依赖电池电量和存储。到2030年，这个新的电气化世界预计每年将消耗多达10太瓦时(TWh)的电池。到2021年，我们将使用约0.5TWh。由于这些预测，人们担心原材料是否可以满足这一需求。由锂离子(Li-ion)技术制成的电池已成为近代（并将用于未来）的主要技术，包括镍和钴，其供应在全球范围内受到极端限制。

美国伯克利国家实验室的科学家们在使用新材料制造电池阴极方面取得了进展，该材料提供的能量与普通锂离子电池相似，甚至更多。这种新型电池的主要区别在于它可以用丰富且廉价的材料制造。含有过量锂的无序岩盐（也称为DRX）是最近合成的一类新型材料，它还可用于构建不含钴或镍的阴极。

这减少了对未来关键矿物的依赖，并最大限度地降低了供应链问题的风险。随着DRX材料的整合和最终接管，它为锂电池提供了一个新平台，作为未来许多年将使用的主要可持续电池类型。

阴极由什么组成？

电池由两个电极组成，阴极是其中之一。阴极还占电池制造成本的三分之一以上。目前用于锂离子电池阴极的材料是镍、锰和钴(NMC)。镍钴材料与惰性锰成分结合，限制了锂离子电池的性能在这一刻。从这些电池中获得更高性能的唯一方法是使用替代材料，例如前面提到的DRX材料。它们在组成上具有显着的灵活性，并允许在其结构中使用许多丰富的材料。这赋予这些材料一些非常强大的属性，其中之一是任何种类的金属都可以用来修复可能发生的任何问题。

为什么不继续使用镍和钴？

尽可能减少钴在电池生产中的使用已成为美国能源部(DOE)的首要任务。当现有资源仅评估为2TWh时，全球镍产量将被完全消耗，而目前的钴产量甚至无法满足需求。满足2TWh的产量将需要约2,000千吨钴和镍，而今天的钴产量约为150千吨。不可行增加生产该数量的钴。

此外，世界上三分之二以上的镍供应用于制造不锈钢。全球超过50%的钴供应产自刚果民主共和国。澳大利亚、俄罗斯、古巴和菲律宾也是主要的钴生产国。

与此相反，由DRX制成的阴极几乎可以使用所有金属来代替钴和镍。钛和锰正在被寻求作为替代材料，因为这些金属比钴和镍更丰富、更便宜。氧化钛和氧化锰的成本均低于1美元/公斤，而镍的成本为18美元，而钴的价格则高达45美元/公斤！

DRX提供了创造非常便宜的电池电源的机会，当锂离子电池达到这一点时，锂离子与市场上任何其他类型的电池之间将不存在竞争。它还将对其他行业产生连锁反应，因为汽车行业和其他行业的电池电力将变得更便宜。

在缓慢的市场中快速进步

过去用于电池制造的新材料需要15年甚至20年才能推向市场，而DRX材料预计将以更快的速度发展。过去三年取得了一些重大进展，现在需要一个更大的团队来让专家及其多样化的技能参与进来，以便使这项新技术保持在商业化的轨道上。

这个新的更大的团队还将帮助解决电池遇到的少数剩余问题，包括优化电解质，电解质是使电荷从阴极到阳极的路径并延长循环寿命的介质。循环寿命是电池在无法使用之前可以充电的次数。过去几年，日本和欧洲也启动了许多新的DRX研究项目。

为了不断推进新的电池技术，材料的基础科学需要不断的新突破。DRX由如此多的可变元素组成，研究人员将不得不进行一些试验和错误，以确保他们使用尽可能最好的材料，同时还要达到丰富、性能和价格的快乐媒介。由于DRX具有如此大的灵活性，因此在构建材料时必须考虑整个元素周期表。这将决定电池充电的速度和材料的稳定性，这两者都是高性能电池的重要特性，并将有助于制造出能够解决许多现实问题的电池。