日本和法国研究人员开发实用的镍基电极材料 帮助实现无钴电池

盖世汽车讯 许多电动汽车由含钴的锂离子电池供电，而钴是一种稀缺、昂贵、环境和社会成本都很高的金属。据外媒报道，来自日本和法国各大学的研究人员开发出实用的镍基电极材料，从而为实现可用于电动汽车的无钴电池开辟了新途径。

（图片来源：横滨国立大学）

横滨国立大学（Yokohama National University）的Naoaki Yabuuchi表示：“不可否认的是，锂离子电池需要无钴的高能电极材料。”

当锂离子电池充电时，锂离子从带正电荷的电极移动至带负电荷的电极。在大多数便携式电子产品的锂离子电池中，阴极中含有钴酸锂（LiCoO2），这是一种可以提供高稳定性和能量密度的化合物。

然而，钴的供应链有限，使生产大型电池受到影响，包括电动汽车中的电池。此外，提取钴时还会产生有毒废弃物，污染土地、空气和水。为了解决这些问题，镍酸锂（LiNiO2）具有类似LiCoO2的结构，经常被用作电极材料的无钴替代品。然而，这种化合物存在关键的不稳定问题，尤其是在高压区域会逐渐丧失容量，这与镍离子迁移有关。

为了提高电极的可逆性，研究人员用其他金属离子来部分取代镍离子，包括重新加入钴离子以及锰、铝和镁，以创建“富镍层状材料”作为阴极材料。Yabuuchi表示：“到目前为止，镍基电极材料需要10 - 20%的钴离子。”然而，根据他的说法，这仍然太多了，而且对于金属替代品如何改善这一过程，目前尚未统一的观点。

为了解决这一知识缺口，Yabuuchi等人进一步探讨有问题的相变。当锂离子在外场的影响下离开阴极时，镍离子会移动到锂层内的特定位置。虽然这个过程是可逆的，但由于连续循环，可逆性会逐渐降低，直至完全丧失容量，这是在钴离子迁移过程中没有看到的现象。

以前的研究报告显示，在LiNiO2中掺杂钨是抑制高压区域有害相变的有效方法。研究人员针对相关假设进行了测试，即可以用其他元素取代来重而昂贵的钨离子，特别是一种更轻、更丰富的元素——磷。研究人员对与纳米级磷酸锂（Li3PO4）集成的LiNiO2进行了详细分析。结果观察到，在某些条件下，由于Li层内额外镍离子的排斥性静电相互作用，有问题的镍离子迁移得到了有效抑制。

此外，根据这些发现，研究人员还使用一种简单的方法合成了缺Li的LiNiO2——Li0.975Ni1.025O2，在锂层中添加额外的镍离子，而不需要整合磷。结果仍然显示，Li0.975Ni1.025O2可以有效减轻不良镍迁移，并在没有钴离子的情况下提供稳定的可逆性。

Yabuuchi表示：“这些发现为开发高性能和实用的无钴镍基电极材料开辟了新的方向，而且这些方法极其简单和经济。这种材料实现了高性能镍基电极材料的终极目标。”

研究人员计划，未来进一步探讨使用无镍材料支持锂离子电池的可行性。