鋰離子(Li-ion)電池是一種可通過鋰離子可逆還原來儲存能量的可充電電池，由于其卓越的性能和較長的生命周期，是最廣泛使用的電池技術之一。目前許多現有和新興技術都由這些電池供電，包括智能手機、筆記本電腦和電動汽車。

盡管鋰離子電池具有諸多優點，但其價格卻變得越來越昂貴，因為它們含有需求量大且難以大量采購的材料，例如鈷 (Co) 和鎳 (Ni)。因此，電池制造商和能源專家一直在努力尋找需要很少或不需要鈷和鎳的替代設計，因為它們可以降低鋰離子電池的成本并促進其大規模生產。

加州大學歐文分校和美國其他機構的研究人員最近推出了一項新策略，為鋰離子電池制造無鈷陰極，這種陰極不會對電池的性能產生不利影響。他們的研究發表在《自然能源》雜志上，由美國能源部車輛技術辦公室資助。

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“我們的項目于 2018 年開始，于 2023 年 3 月結束，”進行這項研究的研究人員之一辛火林 (Huolin Xin) 告訴 Tech Xplore。“當我們開始研究時，整個行業都在致力于超高鎳陰極以取代或降低鈷的使用量。2019年，鎳成為電動汽車行業下一個痛點的問題已經在我腦海中形成，因為我發現Ni的價格已經漲到Co的三分之一了，在2019年底的項目評審會上，我代表團隊立下了幾個新年決心，其中之一就是打造低Ni 、高錳、無鈷陰極，可規避鎳的痛點。”

2020 年，Xin 和他的同事設計了一種新策略，以實現高鎳 (Ni-80%) 正極活性材料 (CAM) 的零應變。他們的策略基于所謂的濃度復合摻雜，這是一種使用特定化學物質(即摻雜劑)改變材料性能的技術。

“在之前的研究發表在《自然》雜志上之后，我告訴我的團隊，我們應該嘗試應用這種策略來創建低鎳 CAM，”Xin 解釋道。“我們很快就成功地證明了濃度復合摻雜策略可以實現商業上可行的低鎳、高錳 CAM。

Xin和他的同事提出的濃度復合摻雜策略有幾個顯著的優點。通過低陽離子混合，正極材料在 C/10 時具有 190 mAh/g 的高容量，在 C/3 時具有 700 wh/kg 的高比能量，以及高熱穩定性和長電池生命周期。

“我們提出的策略是低成本，因為它不含鈷，鎳含量減少了 50%，而且我們使用的主要材料錳很便宜，”辛說。“我們展示了低陽離子混合，可釋放高容量(C/10 時為 190 mAh/g)和高比能(C/3 時為 700 wh/kg)、優于 NMC-532 的高熱穩定性以及長循環壽命達到 >4000 次循環，這使其與 LFP 電池具有競爭力。”

與其他提出的減少鋰離子電池對鈷和鎳依賴的策略相比，Xin 和他的同事提出的方法不需要在材料表面進行涂層。這使得大規模實施變得更加容易。

在最初的測試中，使用該團隊的策略創建的無鈷陰極表現非常出色，能夠制造出穩定、高效、壽命長的鋰離子電池。未來，它可以用于制造更實惠的鋰離子電池，用于廣泛的應用，同時也可能激發引入類似的基于摻雜的方法來制造無鈷電池。

“我們現在正在研發鎳/鈷含量更低的下一代 CAM，這將再次降低 CAM 材料的成本，”Xin 補充道。