錳陰極有望提升鋰離子電池性能

可充電鋰離子電池的應用正在增長，廣泛用於智能手機和筆記本電腦、電動車和儲能系統等設備中。但用於這些電池陰極的鎳和鈷的供應有限。由美國能源部洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）主導的新研究開闢了一種潛在的低成本安全替代方案，即錳，這是地殼中第五豐富的金屬。

研究人員展示了錳可以有效地用於新興的陰極材料，稱為無序岩鹽（disordered rock salts，簡稱DRX）。之前的研究表明，為了表現良好，DRX材料必須通過一種耗能的過程磨成納米大小的顆粒。但新的研究發現，基於錳的陰極實際上可以在顆粒大小約為預期的1000倍的情況下表現出色。該研究結果於9月19日發表在《自然納米技術》（Nature Nanotechnology）期刊上。

“有很多方法可以利用可再生能源發電，但關鍵在於如何儲存這些能量，”漢明·豪（Han-Ming Hau）說，他是伯克利實驗室Ceder小組的電池技術研究員，同時也是加州大學伯克利分校的博士生。“通過應用我們的新方法，我們可以使用一種既豐富又低成本的材料，並且其生產所需的能量和時間比某些商業化的鋰離子電池陰極材料更少。而且它的能量儲存量相同，性能同樣良好。”

研究人員使用了一種新穎的兩天工藝，首先去除陰極材料中的鋰離子，然後在低溫（約200攝氏度）下加熱。這與現有的基於錳的DRX材料的製備過程形成對照，後者需要超過三週的處理時間。

研究人員使用最先進的電子顯微鏡捕捉了基於錳的材料在運作過程中的原子級畫面。他們發現，在應用他們的工藝後，材料形成了一種納米級的半有序結構，這實際上增強了電池性能，使其能夠高密度地儲存和釋放能量。

團隊還使用不同的X射線技術研究了電池循環如何導致錳和氧在宏觀層面上的化學變化。通過研究錳材料在不同尺度上的行為，團隊為製造基於錳的陰極開辟了不同的方法，並獲得了對未來電池材料進行納米工程的深入見解。

“我們現在對材料的獨特納米結構有了更好的理解，”豪說，“還有一種合成工藝，能夠引起材料的‘相變’，從而改善其電化學性能。這是一個重要的步驟，將這種材料推向現實世界的電池應用。”

這項研究利用了三個美國能源部科學辦公室的用戶設施：伯克利實驗室的先進光源和分子鑄造廠（國家電子顯微鏡中心），以及布魯克海文國家實驗室的國家同步輻射光源II。該工作得到了美國能源部的能源效率與可再生能源辦公室和科學辦公室的支持。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。