世界各地的研究人員都在尋找便宜，更好的鋰離子電池材料來為電動(dòng)汽車等大型機(jī)器提供動(dòng)力。他們的目標(biāo)之一是尋找一種替代鈷金屬的鋰金屬氧化物電極，鈷是手機(jī)和筆記本電腦電池中常見的元素，但價(jià)格太昂貴且容量不足，無法推動(dòng)電動(dòng)汽車長距離行駛。

幾十年來，美國能源部(DOE)阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員一直致力于發(fā)現(xiàn)性能和甚至優(yōu)于我們今天使用的電池材料。他們正在研究的材料中是富含錳的化合物，因?yàn)殄i既豐富又便宜。鋰錳氧化物在熱方面也更安全，但能量密度不及其對應(yīng)的鈷。

自1980年代初以來，阿爾貢(Argonne)名譽(yù)研究員邁克爾·沙克雷(Michael Thackeray)所做的工作就對實(shí)驗(yàn)室對富錳材料的研究產(chǎn)生了影響。Thackeray于1981年至1982年在牛津大學(xué)擔(dān)任博士后，與電池科學(xué)家John Goodenough一起工作。JohnGoodenough是獲得諾貝爾獎(jiǎng)的現(xiàn)代鋰鈷氧化物電池建筑師之一。

Goodenough和Thackeray一起工作，發(fā)現(xiàn)了一種具有“尖晶石型”結(jié)構(gòu)的鋰錳氧化物電極，該電極比流行的鋰鈷酸鋰分層結(jié)構(gòu)更便宜，更安全，但Goodenough電極的性能較差。尖晶石中的材料以立方，緊密堆積的3-D結(jié)構(gòu)排列。尖晶石電極具有3-D通道以快速容納鋰，因此可以提供高功率，從而使其在其他鋰離子電池采用的2-D分層和1-D隧道電極結(jié)構(gòu)上獨(dú)樹一幟。

Goodenough和Thackeray的尖晶石研究(Thackeray于1993年加入Argonne時(shí)進(jìn)行了擴(kuò)展)使Argonne的電池計(jì)劃發(fā)展到今天。在最近發(fā)表的《先進(jìn)能源材料》雜志上，Thackeray討論了他們對錳基鋰金屬氧化物的結(jié)構(gòu)和組成的研究如何發(fā)展，并為當(dāng)今正在進(jìn)行的工作提供了信息。

在早期工作的基礎(chǔ)上，Argonne研究人員開發(fā)了許多富含錳的材料，其中包括Thackeray共同發(fā)明的富含鋰的鎳-錳-鈷(NMC)陰極。富鋰NMC是一項(xiàng)突破性的陰極技術(shù)，與鋰離子技術(shù)中的標(biāo)準(zhǔn)NMC成分相比，其性能和可靠性有了顯著提高。Argonne的NMC技術(shù)已獲得包括通用汽車在內(nèi)的全球制造商的許可，通用汽車在其雪佛蘭Volt和Bolt車型中采用了正極材料。

Thackeray和Goodenough的工作繼續(xù)激發(fā)著Argonne正在進(jìn)行的研究，研究人員正在將尖晶石型材料以納米級的水平整合到陰極中，并且正在微調(diào)尖晶石的性能以在陰極中設(shè)計(jì)所需的性能。例如，已經(jīng)確定了可以幫助穩(wěn)定NMC陰極并幫助設(shè)計(jì)用于全固態(tài)鋰離子電池和電池的陰極和電解質(zhì)材料的不同尖晶石型材料。

阿爾貢大學(xué)的科學(xué)家Jason Croy及其同事正在加大NMC技術(shù)版本的開發(fā)力度，該技術(shù)可以使鋰和錳含量比目前使用的版本更高，從而理想地提高了電池的能量密度和安全性，同時(shí)降低了成本。改進(jìn)的技術(shù)可用于許可。

Croy說：“這項(xiàng)研究的最終目標(biāo)是為鋰離子電池制造一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，富含錳的電極，它可以為您提供長時(shí)間的能量。” “希望是，通過將尖晶石與新材料結(jié)合在一起，我們將能夠開發(fā)出經(jīng)濟(jì)上可行的選擇，以生產(chǎn)富含鈷和鎳的材料。”