钴对锂电池的作用，以及无钴电池的优势

钴对锂电池的作用，以及无钴电池的优势

锂离子电池是现代科技的基石，从智能手机到电动汽车，无处不在。然而，这种电池的关键材料钴却面临着资源稀缺、价格波动和伦理争议等多重挑战。近日，德克萨斯大学研究团队开发出一种新型无钴电池技术，有望彻底改变这一局面。

锂离子电池是一种电化学的奇迹。我们用它来做所有事情，无论是电话和笔记本电脑这样的普通小工具，还是火星上的电船和直升机等高端应用。锂离子电池对现代生活非常重要，三位化学家因此于去年获得了诺贝尔奖。但是在此过程中，也逐渐形成了电池行业对钴的依赖。

钴是一种稀有、有毒和有光泽的矿物质，存在于当今几乎所有使用的锂离子电池的带负电的电极（或阴极）中。它昂贵、沉重，并且与不道德的采矿行为、疯狂的价格波动以及脆弱的全球供应链相关。难怪有这么多电池制造商想要消除对钴的依赖。但是这种材料在稳定电池和提高其能量密度方面起着至关重要的作用。尽管存在实验性的无钴电池，但直到现在，它们都存在性能问题，例如寿命有限和充电速度较慢等。

7月，得克萨斯大学（University of Texas）的三位研究人员组成的小组报告了使用完全消除钴的新型阴极化学物质进行测试的结果。他们在一个小型的实验性锂离子袋式电池中使用了富含镍的阴极，其大小约为一副纸牌。尽管该电池的能量密度比典型的钴电池略低，但它能够以更高的电压和相似的充电速率工作。即使经过1,000个完整的充放电循环（这是商用电池的典型寿命），实验电池的性能仍可与具有钴阴极的电池相媲美。

“很多人说钴是必不可少的，如果去除钴，将无法获得相同的性能，”德克萨斯大学德克萨斯材料研究所所长Arumugam Manthiram说，奥斯汀，论文的主要作者。“我们是第一个证明可以消除钴而不损害性能的人。”

钴可占锂离子阴极材料的五分之一，通常具有以下两种存在方式之一：NMC（镍锰钴氧化物）或NCA（镍钴铝氧化物）。这些电池中的钴具有稳定作用，可防止阴极腐蚀而导致电池着火。它也可以提高电池的充电率，但是原材料非常昂贵并且很难获得。它也有一些社会问题。世界上近三分之二的钴是在刚果民主共和国开采的，是大规模镍和铜开采的副产品。但是刚果民主共和国也有一大批独立的或手工业的矿工，在没有任何监督的情况下有效运作。这导致了刚果钴矿中的许多侵犯人权行为，包括使用童工。

Manthiram和他的同事开发的阴极通过增加镍含量来回避钴。按重量计，它占阴极金属的89%。他们的电池将NMC和NCA阴极的成分结合在一起，形成了无钴NMA（镍锰铝氧化物）阴极。尽管该团队并不是第一个开发无钴或高镍阴极的团队，但曼西拉姆说，这是第一个没有主要性能缺陷（如电池寿命短和能量密度低）的团队。

密歇根大学电池实验室的技术主管格雷格·莱瑟（Greg Less）表示，曼西拉姆的正极材料“显示出了巨大的希望。” 他说，还需要做更多的测试来解决其他类似阴极化学物质所遇到的问题，例如锰在高温下溶解的趋势，但是电池的初始测试结果令人鼓舞。莱斯说：“可以与含钴电极竞争的无钴替代品非常令人兴奋。”

为了实现这一目标，曼西拉姆（Manthiram）和他的团队使用了专门的技术在纳米级上混合成分。这涉及将包含镍、锰和铝离子的溶液泵入反应器，在反应器中将其与另一种与金属离子结合的溶液混合。结果是金属氢氧化物的精细混合粉末，将其与氢氧化锂一起烘焙以产生用于阴极的材料。在整个过程中，必须精确控制泵速和温度，以确保所得阴极材料具有正确的结构和组成。“设计阴极组合物需要掌握基本化学知识，” Manthiram说。“而且我们找到了一种控制过程的方法，使您可以进行原子级混合。”

曼瑟拉姆（Manthiram）和他的团队将这些元素混合在一起后，便将阴极放入了具有常规石墨阳极的实验性锂离子袋式电池中。在测试过程中，他们发现其性能与市售的带有钴阴极的锂离子电池在不同的充电速率和数百次充电循环中的性能相匹配。尽管无钴阴极的能量密度略低，这意味着它可以存储更少的锂离子，但曼思拉姆认为，可以通过进一步改善其化学性质来弥补这一差距。

同时，他专注于将电池带出实验室并带入现实世界。他最近成立了TexPower，将阴极商业化，他说将其与现有电池制造工艺集成起来应该很容易。它可以用于各种应用的电池中，例如消费类电子产品、电动汽车和电网储能。

曼西拉姆希望他的无钴阴极能在几年内投放市场。而且他不是唯一的一个。一家名为Sparkz的初创公司最近获得了能源部橡树岭国家实验室的无钴阴极技术的商业许可。像松下这样的老牌厂商正在努力减少电池中钴的含量。埃隆·马斯克（Elon Musk）多年来一直希望在特斯拉（Tesla）中使用无钴电池，许多行业分析师预计他将在下个月的公司“电池日”活动期间宣布低钴锂离子电池的突破。

代表生产商的非营利性贸易组织钴学会的前任主席兼现任顾问戴维·怀特（David Weight）表示，钴阴极可能仍会存在一段时间。除了金属给锂离子电池带来的稳定性和性能优势外，制造它们的公司还花费了数年和数十亿美元来完善其阴极化学性能。这意味着任何新玩家都必须克服很多行业惯性。惠特说：“在不需要钴的化学系统成为商业现实之前，我们必须在未来有很长的路要走。” “采用全新技术并非一overnight而就。在可预见的将来，钴将用于电池。”

世界银行最近的一份报告预测，在未来的几十年中，钴的产量需要增加500%，才能满足对锂离子电池不断增长的需求。刚果民主共和国将无法独自满足这一需求，而且惠特说，全球范围内有多家钴矿勘探企业正在进行中。尽管深海采矿仍是一个有争议的问题，但在海底发现了最大的钴矿床。但是，即使事实证明供应没有问题，但无钴阴极仍然可以使锂离子电池比以往任何时候都更便宜，毒性更小，更合乎道德。