代替钴和镍 俄勒冈州立大学称铁有望用作锂离子电池阴极材料

盖世汽车讯 如果常见元素而非稀缺的昂贵元素成为电动汽车电池的关键成分，会怎么样？由俄勒冈州立大学（Oregon State University）化学研究人员共同领导的一项合作研究称，铁有望代替钴和镍可用作锂离子电池的阴极材料，或将引发一场绿色电池革命。

图片来源：俄勒冈州立大学

“我们改变了最便宜的金属铁的反应性，”俄勒冈州立大学Xiulei“David”Ji表示。“我们的电极可以提供比电动汽车最先进阴极材料更高的能量密度。而且由于我们使用铁，其成本可能不到每公斤一美元——只是目前高能锂离子电池中不可或缺的镍和钴的一小部分——我们的电池成本可能会低得多。”

Ji表示，目前阴极占锂离子电池制造成本的50%。除了经济效益之外，铁基阴极还能提高安全性和可持续性。随着越来越多的锂离子电池被制造出来，交通运输行业向电气化转向，因此全球对镍和钴的需求飙升。Ji指出，在未来几十年内，预计镍和钴的短缺将阻碍目前的电池生产。

此外，这些元素的能量密度已经达到了上限——如果进一步提高，充电过程中释放的氧气可能会导致电池起火——而且钴是有毒的，这意味着如果它从垃圾填埋场渗出，可能会污染生态系统和水源。Ji表示，综合考虑所有这些因素，就很容易理解全球对新的、更可持续的电池化学成分的追求。

电池以化学能的形式储存电能，并通过反应将其转化为驱动车辆、手机、笔记本电脑和许多其他设备和机器所需的电能。电池有多种类型，但大多数电池的工作方式基本相同，包含相同的基本组件。

电池由两个电极（阳极和阴极，通常由不同的材料制成）以及隔膜和电解质（一种允许电荷流动的化学介质）组成。在电池放电过程中，电子从阳极流入外部电路，然后在阴极收集。顾名思义，锂离子电池的电荷由锂离子携带，放电时锂离子通过电解质从阳极移动到阴极，充电时再返回。

“我们的铁基阴极不会受到资源短缺的限制，”Ji解释说，铁不仅是地球上质量最常见的元素，也是地壳中第四丰富的元素。

通过设计基于氟和磷酸根阴离子（带负电的离子）混合物的化学环境，Ji与来自多所大学和国家实验室的合作者提高了阴极中铁的反应性。这种混合物以固体溶液的形式充分混合，可以将铁粉、氟化锂和磷酸锂的细混合物可逆地转化为铁盐，这意味着电池可以充电。

“我们已经证明，采用阴离子的材料设计可以突破电池能量密度的上限，使电池更具可持续性，成本更低，”Ji说道。“我们不会将一些更昂贵的盐与铁结合使用，只是使用电池行业一直在使用的盐和铁粉。要将这种新的阴极投入使用，不需要改变其他任何东西，不需要新的阳极、新的生产线、新的电池设计。我们只是更换了一样东西，即阴极。”

Ji表示：“存储效率仍需改进。目前，充电时输入电池的电量并非全部都可以在放电时使用。当这些改进完成后，电池的性能将比目前使用的电池好得多，成本更低，更环保。如果有资金投入这项技术，它很快就会实现商业化。”