在鋰電池中加鹽，可以把能量密度提高三倍！這個簡單樸實甚至帶點民科味道的結論，是美國勞倫斯柏克萊國家實驗室的最新研究成果。研究人員發現，使用無序岩鹽（DRX）製造電池陰極材料，可以明顯提升能量密度，還能解決電池需求飆升導致的鎳、鈷短缺問題。

多年來一直依賴價高且資源稀少鎳和鈷的鋰離子電池，迎來了更永續的突破口。

而且值得一提的是，這項新研究的領頭人，還是一位本科學成於浙大化學系的華人科學家——Chen Guoying。

在電池陰極材料中來點鹽

這種無序岩鹽英文名稱是Disordered rock salt，是普通食鹽的近親，在地殼中很常見。

△一種岩鹽

根據研究，使用無序岩鹽再加上一些其他過渡金屬，可以完全取代一般三元鋰電池陰極材料常用的鎳和鈷元素。

也就是完全不用鎳和鈷，無序岩鹽+錳依舊能合成動力電池的陰極。

並且，無序岩鹽還可以將電池的能量密度增加三倍，提供更長的續航里程。

同時研究人員也發現，無序岩鹽具有很高的組成彈性，使用任何一種過渡金屬都能合成可用的電池陰極，例如錳或鈦，能顯著降低電池原料價格。

眾所周知，三元鋰電池是當下動力電池的主流類型之一。並且因為能量密度高、熱穩定性好，常被選用高階車型的標準配備。

其中的鈷離子有助於維持陰極氧化物的穩定性，抑制鋰鎳混排現象，確保電池壽命；鎳離子有助於提升能量密度，對於鋰電池來說都是關鍵的組成元素。

那麼，為什麼要研究新的材料來取代這兩種元素？

無序岩鹽給出的新選擇

需要尋找鎳和鈷的替代材料，最重要的還是因為兩種元素在未來會進入短缺狀態。

一般來說，三元鋰電池陰極主要由鎳鈷錳三種元素組成，鎳和鈷元素的比例通常在70%以上。

△三元電池陰極材料結構，來源：EER

而隨著電動車市場的不斷擴張，三元鋰電池需求成長，進而導致對鎳、鈷元素的需求量激增。

標普全球最近的一份報告顯示，電動車的銷量從2023年到2027年將翻一番，達到3,160萬輛，預計到時候鈷和鎳都會出現短缺。

伍德麥肯茲也曾在去年預測，如果新的採礦計畫不見成效，到2030年鈷需求將短缺超過15%。

但同時又因為鈷和鎳在電池材料中的重要性，在真正面臨短缺之前，最好先找一些替代品。

研究人員認為，無序岩鹽就是非常好的替代材料。

從結構上來說，無序岩鹽的晶體結構是立方而非層狀，因此不需要鈷元素來維持穩定。

△右邊為DRX陰極結構，來源：柏克萊實驗室

同時，立方的晶體結構又能允許鋰離子在三個維度中自由移動，因此可以容納更多的鋰離子，提供更高的能量密度，取代了鎳元素的作用。

研究人員也把這種無序岩鹽材料稱為富鋰陰極材料。

而為了更好地研究這種材料，研究人員也成立了一個無序岩鹽聯盟。

研究團隊簡介

聯盟於2022年10月成立，由勞倫斯伯克利國家實驗室主導。

主要負責人有兩位，分別是柏克萊實驗室電池組研究科學家Chen Guoying和Gerbrand Ceder，同時Ceder也在加州大學柏克萊分校擔任材料科學與工程系教授。

Chen Guoying本科就讀於浙江大學化學專業，1994年畢業後，先後在中國科學院上海有機化學研究所、賓州大學完成有機化學專業碩士及化學專業博士學位。

2002年，Chen Guoying開始在柏克萊實驗室工作，研究方向為提高鋰離子電池的能量密度、循環壽命和安全性，已經在材料化學一流期刊上發布論文超66篇，總被引數達到7668次。

Gerbrand Ceder則是著名鋰電大牛，屬於世界頂級材料計算專家。

Gerbrand Ceder本科就讀於比利時魯汶大學冶金與應用材料科學專業，畢業後直接讀博，1991年在加州大學柏克萊分校取得材料科學博士學位。

他曾在麻省理工學院擔任材料科學與工程學院教授，後來回到加州大學柏克萊分校，研究方向包括能源儲存（包括鋰離子電池、鈉離子電池、全固態電池等）、資料探勘、高通量計算等。

Gerbrand Ceder在Nature、Science等頂尖期刊發表論文超過500篇，被引用次數超過11.5萬次。

目前，無序岩鹽聯盟成員遍佈各國實驗室和大學，不同團隊分別研究計算模型，不斷改進化學成分，並開發最適合無序岩鹽陰極的電解質。

聯盟已經獲得美國能源部車輛技術辦公室提供的2,000萬美元（約1.46億元）資金，目標在未來五年內推出電池級無序岩鹽陰極材料，最終實現商業化。

Chen Guoying表示，現在研究的最大挑戰是提高無序岩鹽陰極材料的循環壽命，目標是達到數千次以上。

等到無序岩鹽陰極材料推出，性能高、壽命長、價格低的新型鋰電池無疑在電池市場上非常有競爭力。

參考連結：

https://spectrum.ieee.org/lithium-ion-battery-2665763170

來源：量子位