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锂电池行业,急于除去“钴元素”?无钴时代即将来袭

 现今,传统锂电池行业——对钴的依赖极为严重

锂离子电池是电化学领域的一个“巨星”。在生活中,我们将它用在任何需要储电的物件上,无论是手机和笔记本电脑等这类的普通小工具,还是电动货轮和火星上的无人机等更极端的应用。锂离子电池对现代生活如此重要,以至于发明它的三位化学家去年获得了诺贝尔奖。但在这一过程中,电池行业对钴的依赖性逐渐加重。

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钴是一种稀有、而又有毒、有光泽的矿物,几乎在现今所有使用的锂离子电池带负电荷的电极(或阴极)中都能找到钴的存在。钴的价格极为昂贵、不稳定,而且与不道德的私自开采行为、疯狂的价格波动和脆弱的全球供应链有关。这也致使了如此之多电池制造商想戒掉这一钴“瘾”。但这种材料在稳定电池和提高电池的能量密度方面起着至关重要的作用。尽管目前已经存在了一些实验性的无钴电池,但到目前为止,它们都存在一些重大的性能问题,比如寿命有限和充电速度较慢。

最新研究:一研究小组,成功攻克了无钴电池的现有缺陷

今年7月,来自德克萨斯大学的一个由三名研究人员组成的研究小组,报告了其使用一种可完全消除钴的新型阴极化学材料的测试结果。他们在一副扑克牌大小的小型实验性锂离子袋式电池中,使用了他们的富镍阴极。虽然该电池的能量密度比典型的钴电池略低,但它能够在更高的电压和相似的充电速率下工作。即使在经过1000次完整的充放电循环(这是商用电池的典型寿命),实验电池的性能表现与钴阴极的同类电池不相上下。

"相当多的人说,钴是必不可少的,如果你除去它,你将无法获得同样的性能。"该研究论文的第一作者、得克萨斯大学奥斯汀分校德克萨斯材料研究所(Texas Materials Institute)主任阿鲁姆格姆·曼瑟拉姆(Arumugam Manthiram)表示:"我们是第一个证明——在不影响性能的情况下,将锂电池消除钴是可能的。"

为什么锂电池要选择“钴元素”?而现在又为什么要除去它呢?

钴占锂离子阴极材料的五分之一,通常有两种类型:NMC(镍锰钴氧化物)NCA(镍钴铝氧化物)这些电池中的钴具有稳定作用,可以防止可能导致电池起火的阴极腐蚀。它还可以提高电池的充电速率,但是这种原材料相当昂贵,而且很难获得。另外,钴还也有一些社会问题。世界上近三分之二的钴是在刚果民主共和国(刚果(金))开采的,作为大规模镍和铜矿开采的二级产品。但刚果(金)也有一支由大量的独立或手工采矿者所组成的庞大队伍,他们在没有任何安全监督的情况下有效地运作。这导致刚果钴矿存在大量侵犯人权的现象,包括使用童工。

曼瑟拉姆(Manthiram)和他的同事们开发的阴极通过增加镍含量来避开钴;按重量计算,镍占阴极中金属重量的89%。他们的电池结合了NMCNCA阴极的成分,从而创造了一种不含钴的NMA(镍锰铝氧化物)阴极。曼瑟拉姆(Manthiram)表示,虽然该团队不是第一个开发无钴或高镍阴极的团队,但这是第一个没有存在电池寿命短、能量密度低等主要性能缺陷的团队

密歇根大学电池实验室的技术总监格雷格·雷斯(Greg Less)表示,曼瑟拉姆(Manthiram)的阴极材料"显示出巨大的前景"他认为,该无钴电池还需要做更多的测试,以解决其他类似阴极化学材料所出现的问题——例如,锰在高温下的溶解倾向,但电池的初步测试结果令人鼓舞。"一种能够与含钴电极竞争的无钴替代品,这是非常令人兴奋的事情。"雷斯(Less)也对此电池寄予厚望。

这些粉末样品将被制造成无钴阴极

为了实现这一目标,曼瑟拉姆(Manthiram)和他的团队使用专门的技术在纳米尺度上混合原料。这包括将含有镍、锰和铝离子的溶液泵入反应器,在反应器中它们与另一种与金属离子结合的溶液混合。其结果是一种金属氢氧化物的精细混合粉末,与氢氧化锂一起焙烧,形成用于阴极的材料。在整个过程中,必须精确控制泵送速率和温度,以确保生成的阴极材料具有正确的结构和成分。曼瑟拉姆(Manthiram)说:"设计阴极成分需要很好的基础化学知识。但是我们最终找到了一种控制这个过程的方法,这样你就可以进行原子尺度的混合。"

一旦曼瑟拉姆(Manthiram)和他的团队将这些元素成功地混合在一起,他们就将该阴极放在一个实验性的锂离子袋式电池中,而阳极则采用传统的石墨电极。在测试过程中,他们发现,在不同的充电速率和数百次充电周期中,其性能与市售的带钴阴极的锂离子电池相当。虽然无钴阴极的能量密度略低,这意味着其可以存储更少的锂离子,但曼瑟拉姆(Manthiram)认为可以通过进一步完善其化学成分来弥补这一差距。

从理论走向商业化——无钴电池的商业竞争,已经暗流涌动

与此同时,他正专注于将电池带出实验室,进入现实世界。最近曼瑟拉姆(Manthiram)成立了TexPower公司,以实现电池阴极的商业化,他表示,从目前的趋势来看,应该很容易将其与现有的电池制造工艺相结合。这种无钴电极可以用于一系列应用的电池中,如消费级电子产品、电动汽车和能源网的存储。

曼瑟拉姆(Manthiram)希望他的无钴阴极能在几年内投放市场。然而,他不是唯一的一个在该领域的探索者。一家名为Sparkz的初创公司最近从美国能源部的橡树岭国家实验室获得了无钴阴极的授权,以将该技术商业化。像松下(Panasonic)这类的老牌企业也正在竞相减少电池中的钴含量。埃隆·马斯克(Elon Musk)多年来一直希望在特斯拉中使用无钴电池,许多行业分析师预计,他将在特斯拉下月举行的电池日”(Battery Day)活动上宣布在低钴锂离子电池方面取得的突破。

然而,含钴电池在短期内会被取代吗?

不过,含钴阴极可能还会存在一段时间,代表生产商的非营利性贸易组织钴研究所(cobalt Institute)的前主席、现任顾问大卫·韦特(David Weight)说。除了这种金属给锂离子电池带来的稳定性和性能优势外,制造锂离子电池的公司花费了数年时间和数十亿美元来完善钴类阴极化学结构。这意味着,任何一个新的参与者都必须克服许多行业惰性。韦特(Weight)表示:"在不需要钴的化学系统能够成为商业现实之前,我们必须展望未来很长的一段路。转向一种全新的技术不会是一蹴而就的。在可预见的未来,钴仍将出现在电池中很长一段时间。"

世界银行(World Bank)最近的一份报告预测,在未来几十年内,钴产量必须增加500%,才能满足锂离子电池日益增长的需求。韦特(Weight)表示,仅凭刚果民主共和国自身是无法满足这一需求,而目前全球范围内有几家钴勘探公司正在进行勘探,以确保进一步扩大开采量。截止目前,最大的钴矿床是在海底发现的,尽管深海开采仍然是一个有争议的问题。但即使供应被证明不是问题,无钴阴极仍可使锂离子电池比以往任何时候都更便宜、毒性更低、更符合道德规范。


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