新型陰極技術可為電動車和能源儲存帶來革命性變革

由佐治亞理工學院的陳海龍（Hailong Chen）領導的一個由多個機構組成的研究小組開發出了一種新型、高性價比的陰極，有望顯著提高鋰離子電池（LIB）的性能，為電動車（EV ）市場和大規模儲能係統帶來革命性的變革。

“長期以來，人們一直在尋找一種成本更低、更可持續的陰極材料來替代現有的陰極材料。我認為我們已經找到了一種，”陳說，他是喬治-伍德魯夫機械工程學院和材料科學與工程學院的副教授。

這種革命性的材料是氯化鐵（FeCl3），成本僅為典型陰極材料的1-2%，卻能儲存相同的電量。陰極材料會影響容量、能量和效率，對電池的性能、壽命和經濟性起著重要作用。

陳說：”我們的陰極可以改變遊戲規則，這將極大地改善電動車市場–以及整個鋰離子電池市場。」他的團隊在Nature Sustainability上介紹了他們的工作。

1990 年代初，索尼公司首次將鋰離子電池商業化，引發了智慧型手機和平板電腦等個人電子產品的爆炸性成長。該技術最終發展成為電動車的燃料，提供了一種可靠、可充電、高密度的能源。但與個人電子產品不同，電動車等大型能源用戶對鋰電池的成本特別敏感。

陳海龍和劉佔濤展示了一種新型、低成本的全固態鋰離子電池正極。圖片來源：Jerry Grillo

目前，電池約佔電動車總成本的50%，這使得這些清潔能源汽車比內燃、排放溫室氣體的同類汽車更昂貴。陳博士團隊的發明可以改變這種狀況。

製造更好的電池

與老式的鹼性電池和鉛酸電池相比，鋰離子電池以更小的體積儲存更多的能量，並能在兩次充電之間為設備提供更長的電力。但鋰電池含有昂貴的金屬，包括鈷和鎳等半貴金屬元素，製造成本較高。

迄今為止，只有四種類型的陰極成功實現了鋰電池的商業化。陳博士的技術將是第五種，它代表著電池技術向前邁進了一大步：全固態鋰離子電池的開發。

傳統的鋰離子電池使用液態電解質來傳輸鋰離子，以儲存和釋放能量。液態鋰離子電池對能量的儲存量有嚴格限制，而且可能發生洩漏和起火。但全固態鋰電池使用固態電解質，大大提高了電池的效率和可靠性，使其更加安全，並能儲存更多能量。這種電池目前仍處於開發和測試階段，但將是一項重大改進。

就在全球的研究人員和製造商爭相將全固態技術付諸實踐之際，陳和他的合作者開發了一種經濟實惠且可持續的解決方案。有了三氯化鐵陰極、固態電解質和鋰金屬陽極，他們的整個電池系統成本僅為目前鋰電池的30-40%。

陳說：「這不僅能使電動車比內燃汽車便宜得多，還能提供一種新型的、前景廣闊的大規模儲能形式，增強電網的彈性。此外，我們的陰極將大大提高電動車市場的永續性和供應鏈穩定性。

新發現的堅實起點

陳對作為陰極材料的FeCl3 的興趣源於其實驗室對固體電解質材料的研究。從2019 年開始，他的實驗室嘗試使用氯化物基固態電解質和傳統的商用氧化物基陰極來製造固態電池。結果並不順利–陰極和電解質材料並不相容。

研究人員認為，基於氯化物的陰極可以與氯化物電解質更好地配對，從而提供更好的電池性能。陳說：”我們發現了一種值得嘗試的候選物質（FeCl3），因為它的晶體結構可能適合儲存和運輸鋰離子，幸運的是，它的功能達到了我們的預期。”

目前，電動車中最常用的陰極是氧化物，需要大量昂貴的鎳和鈷，這些重元素可能有毒，對環境構成挑戰。相較之下，陳博士團隊的陰極只含有鐵（Fe）和氯（Cl）–這些元素在鋼鐵和食鹽中含量豐富、價格低廉、應用廣泛。

在他們的初步測試中發現，FeCl3 的性能與其他昂貴得多的陰極不相上下，甚至更好。例如，它的工作電壓比常用的正極LiFePO4（磷酸鐵鋰，或LFP）高，後者是電池連接到設備時提供的電力，類似於花園水管的水壓。

這項技術距離電動車的商業化可能不到五年。目前，研究團隊將繼續研究氯化鐵和相關材料。這項工作由陳和博士後劉佔濤（研究的第一作者）領導。合作者包括喬治亞理工學院伍德拉夫學院（朱婷）和地球與大氣科學學院（唐遠志）的研究人員，以及橡樹嶺國家實驗室（劉珏）和休士頓大學（陳碩）的研究人員。

“我們希望在實驗室中使材料盡可能完美，並了解其基本運作機制，”陳說。 “但我們對擴大技術規模並將其推向商業應用的機會持開放態度。”

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