加州理工團(tuán)隊(duì)用更安全的3D打印陰極替代電池中的有毒鈷

該研發(fā)用磷酸鐵鋰（LFP）替代了鈷，LFP是一種更安全、更便宜且更可持續(xù)的材料。

加州理工學(xué)院Julia R. Greer實(shí)驗(yàn)室的研究人員開發(fā)了一種制造三維架構(gòu)化電池陰極的新方法，旨在提高安全性、減少對(duì)環(huán)境的影響并提升未來(lái)電池的性能。

這種新型陰極用嵌入碳基質(zhì)的磷酸鐵鋰（LFP）取代了有毒、昂貴且開采方式不道德的鈷。LFP安全性高得多，過(guò)充時(shí)更不容易起火或短路。

單靠LFP本身算不上神奇材料，它通常存在性能遲緩的問(wèn)題。但通過(guò)重新構(gòu)思電池的內(nèi)部架構(gòu)，該團(tuán)隊(duì)找到了突破口。

“我們開發(fā)了一種多用途的方法，用更安全的材料來(lái)制造三維架構(gòu)化電池電極，”Greer實(shí)驗(yàn)室的研究生Yingjin Wang說(shuō)。

“將通常簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)FP的磷酸鐵鋰與碳基質(zhì)結(jié)合，我們摒棄了危險(xiǎn)的鈷，同時(shí)提高了電池的機(jī)械韌性，”第一作者補(bǔ)充道。

三維架構(gòu)化陰極

鋰離子電池是現(xiàn)代移動(dòng)設(shè)備、電動(dòng)汽車和可再生能源電網(wǎng)的主要電源。

這類電池由五個(gè)核心部分組成：陽(yáng)極（負(fù)極）、陰極（正極）、用來(lái)傳輸離子的液態(tài)電解質(zhì)、防止短路的隔膜以及收集電流的集流體。

盡管標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)在商業(yè)上至關(guān)重要，卻一直伴隨著安全風(fēng)險(xiǎn)和性能局限。為了解決這些缺陷，一項(xiàng)新進(jìn)展對(duì)電池設(shè)計(jì)進(jìn)行了重新構(gòu)想，為更安全、更環(huán)保且能提升性能的儲(chǔ)能方式鋪平了道路。

傳統(tǒng)鋰離子電池依賴扁平的二維（“平面”）電極，而在這項(xiàng)新工作中，團(tuán)隊(duì)通過(guò)3D打印引入了一種三維架構(gòu)化陰極。

不僅如此，從平面設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向三維架構(gòu)化電池，還將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的活性表面積最大化。

“我們認(rèn)為這很有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槟憧梢园压虘B(tài)擴(kuò)散距離和液態(tài)擴(kuò)散距離解耦。電解質(zhì)是液態(tài)的，當(dāng)它流過(guò)這個(gè)像迷宮一樣的結(jié)構(gòu)時(shí)，處處都有可用的固體表面，”Greer解釋道。

此外，這種設(shè)計(jì)降低了曲折度，縮短了離子在陰極和隔膜之間必須走過(guò)的物理路徑，從而提高了電池的功率密度，使其能更快地釋放所儲(chǔ)存的能量。

更安全的替代方案

當(dāng)前鋰離子電池的一個(gè)主要缺點(diǎn)是其陰極依賴鈷。鈷供應(yīng)鏈因全球偏遠(yuǎn)地區(qū)不道德的開采行為而飽受詬病，且該材料本身因過(guò)充時(shí)容易起火或短路而構(gòu)成顯著的安全隱患。

相比之下，磷酸鐵鋰是安全得多的替代品。其固有的穩(wěn)定化學(xué)特性使它極不容易出現(xiàn)危險(xiǎn)的熱問(wèn)題或短路。

“LFP本身并不是新材料，但利用這種增材制造或3D打印方法來(lái)制造不含鈷的架構(gòu)化電極，則是一件新鮮事，”Greer說(shuō)。

研究人員的下一個(gè)重要里程碑是設(shè)計(jì)一種互補(bǔ)的三維架構(gòu)化LFP陽(yáng)極，從而打造出一個(gè)兼具高能量密度和高功率密度的全三維架構(gòu)化電池。

考慮到研究仍處于早期階段，且涉及復(fù)雜的制造參數(shù)，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)將是一項(xiàng)高度復(fù)雜的制造挑戰(zhàn)。最終，該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是集成聚合物基電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)真正的固態(tài)電池。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《ACS Energy Letters》期刊上。

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