橡树岭国家实验室AEM: 电池行业钴问题的前瞻性解决方案

锂离子电池过度依赖含钴正极。目前的预测估计，到2050年将有数亿辆电动汽车上路，而这种不断增长的需求可能会以惊人的速度耗尽全球钴储量。此外，钴供应链问题在过去十年中显著提高了钴价格。因此，储能研发需要减少对钴的依赖，以满足对锂离子电池不断增长的需求。

在此，美国橡树岭国家实验室Ilias Belharouak, Nitin Muralidharan等人综述了用于锂离子电池（LIB）的先进低钴/无钴正极的最新进展，特别讨论了层状、尖晶石、橄榄石和无序岩盐（DRX）正极的性能及与这些材料的放大和制造相关的挑战。尽管包括LiMn₂O₄（尖晶石）和LiFePO₄（橄榄石）在内的无钴正极已在某些应用中商业化，但与LiCoO₂相比，这些系统的能量密度较差。

此外，商业化的富镍层状氧化物如NMC和NCA已展示出令人印象深刻的性能，这些材料的无钴类似物（如NMA和NFA）也显示出类似的性能。由于其广泛的成分范围（不含钴和镍），具有高度阳离子无序的DRX正极是下一代 LIB 的另一个有吸引力的选择，与材料合成和电极制造相关的众多挑战需要系统的技术经济调查，以更好地评估DRX正极的商业可行性。

图1. 主流LIB正极的晶体结构及性能

虽然这些无钴系统显示出巨大的前景，但实际应用需要进一步优化材料合成、加工和电池设计。为了充分发挥下一代低钴/无钴正极的潜力，需要进一步研究包括颗粒形貌和微观结构（如单晶vs多晶粉末）在内的关键材料特性对性能（如循环稳定性、比能、日历寿命和安全性）的影响。同样，应开发正极涂层和电解液添加剂以稳定正极-电解液界面，特别是对于高压系统。

最重要的是，随着能源需求的持续增长，应开发能够有效回收废旧锂电池的技术，以减少浪费并回收有价值的资源。将回收与研发下一代正极相结合以实现双管齐下的战略，从而解决当今锂离子电池对钴和镍等关键元素的过度依赖，这是下一个主要挑战。

图2. 工业规模正极材料制造工艺的示意图及电池组装设备

Next-Generation Cobalt-Free Cathodes-A Prospective Solution to the Battery Industry’s Cobalt Problem, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202103050

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