(资料图片仅供参考)

相关论文通讯作者、UCI物理学和天文学教授Huolin Xin表示：“通过‘高熵掺杂’技术，我们成功地制造出一种无钴层状阴极，可在反复充放电循环中具有极高的耐热性和稳定性，解决了长期以来富镍电池材料的安全性和稳定性问题，为广泛的商业应用铺平了道路。”

图片来源：加州大学

该论文的作者称，钴在化学上可稳定锂离子电池的阴极，但也是阻碍电动汽车、卡车和其他需要电池的电子设备被广泛采用的重要原因之一，因为其开采地区主要为刚果民主共和国，开采环境恶劣且存在虐待行径。

Xin表示：“电动汽车制造商急于减少电池组中钴的使用，不仅是为了降低成本，而且是为了反对雇佣童工。研究表明，钴会在高压下导致氧气释放，从而损坏锂离子电池。因此电池中的钴需要被替代。”

然而，镍基正极也存在耐热性差等问题，容易导致电池材料氧化、热失控甚至爆炸。尽管富镍阴极可以容纳更大的容量，但反复膨胀和收缩引起的体积应变会导致稳定性差和安全问题。

通过使用HE-LMNO，研究人员试图通过成分复杂的高熵掺杂来解决上述问题。HE-LMNO是结构内部过渡金属镁、钛、锰、钼和铌的混合物，其表面和界面富有这些矿物的子集与其他电池材料。

通过使用一系列同步加速器X射线衍射、透射电子显微镜和3D纳米断层成像仪器，Xin及其同事确定其零钴阴极在重复使用期间表现出零体积变化。这种高度稳定的结构能够承受1,000多次循环和高温，因此可与镍含量低得多的阴极相媲美。

对于其中一些研究工具，Xin是与位于纽约美国能源部布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的国家同步加速器光源II(National Synchrotron Light Source II，NSLS-II)的研究人员合作。作为美国能源部科学办公室用户设施，NSLS-II为团队提供了使用其28种科学仪器中的三种(称为光束线)的权限，以研究新阴极的内部结构。

NSLS-II的科学家、论文合著者Mingyuan Ge表示：“在NSLS II光束线上将不同方法结合，我们能够发现材料内部氧空位和缺陷的捕获效应，从而有效地防止HE-LMNO二次粒子中裂纹的形成，进而使这种结构在循环过程中非常稳定。”

Xin补充说：“使用这些先进的工具，我们能够观察到阴极显著提高的热稳定性和零体积变化特性，并且我们已经能够证明容量保持率和循环寿命也显著提高。这项研究可以为开发现有能量密集型电池替代品奠定基础。”