鈷占鋰離子陰極材料的五分之一，通常有兩種類型:NMC(鎳錳鈷氧化物)或NCA(鎳鈷鋁氧化物)。這些電池中的鈷具有穩(wěn)定作用，可以防止可能導(dǎo)致電池起火的陰極腐蝕。它還可以提高電池的充電速率，但是這種原材料相當(dāng)昂貴，而且很難獲得。另外，鈷還也有一些社會(huì)問題。世界上近三分之二的鈷是在剛果民主共和國（剛果（金））開采的，作為大規(guī)模鎳和銅礦開采的二級(jí)產(chǎn)品。但剛果（金）也有一支由大量的獨(dú)立或手工采礦者所組成的龐大隊(duì)伍，他們?cè)跊]有任何安全監(jiān)督的情況下有效地運(yùn)作。這導(dǎo)致剛果鈷礦存在大量侵犯人權(quán)的現(xiàn)象，包括使用童工。

 

曼瑟拉姆（Manthiram）和他的同事們開發(fā)的陰極通過增加鎳含量來避開鈷；按重量計(jì)算，鎳占陰極中金屬重量的89%。他們的電池結(jié)合了NMC和NCA陰極的成分，從而創(chuàng)造了一種不含鈷的NMA（鎳錳鋁氧化物）陰極。曼瑟拉姆（Manthiram）表示，雖然該團(tuán)隊(duì)不是第一個(gè)開發(fā)無鈷或高鎳陰極的團(tuán)隊(duì)，但這是第一個(gè)沒有存在電池壽命短、能量密度低等主要性能缺陷的團(tuán)隊(duì)。

 

密歇根大學(xué)電池實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)總監(jiān)格雷格·雷斯（Greg Less）表示，曼瑟拉姆（Manthiram）的陰極材料"顯示出巨大的前景"。他認(rèn)為，該無鈷電池還需要做更多的測(cè)試，以解決其他類似陰極化學(xué)材料所出現(xiàn)的問題——例如，錳在高溫下的溶解傾向，但電池的初步測(cè)試結(jié)果令人鼓舞。"一種能夠與含鈷電極競(jìng)爭(zhēng)的無鈷替代品，這是非常令人興奮的事情。"雷斯（Less）也對(duì)此電池寄予厚望。

 

這些粉末樣品將被制造成無鈷陰極

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，曼瑟拉姆（Manthiram）和他的團(tuán)隊(duì)使用專門的技術(shù)在納米尺度上混合原料。這包括將含有鎳、錳和鋁離子的溶液泵入反應(yīng)器，在反應(yīng)器中它們與另一種與金屬離子結(jié)合的溶液混合。其結(jié)果是一種金屬氫氧化物的精細(xì)混合粉末，與氫氧化鋰一起焙燒，形成用于陰極的材料。在整個(gè)過程中，必須精確控制泵送速率和溫度，以確保生成的陰極材料具有正確的結(jié)構(gòu)和成分。曼瑟拉姆（Manthiram）說："設(shè)計(jì)陰極成分需要很好的基礎(chǔ)化學(xué)知識(shí)。但是我們最終找到了一種控制這個(gè)過程的方法，這樣你就可以進(jìn)行原子尺度的混合。"

 

一旦曼瑟拉姆（Manthiram）和他的團(tuán)隊(duì)將這些元素成功地混合在一起，他們就將該陰極放在一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的鋰離子袋式電池中，而陽極則采用傳統(tǒng)的石墨電極。在測(cè)試過程中，他們發(fā)現(xiàn)，在不同的充電速率和數(shù)百次充電周期中，其性能與市售的帶鈷陰極的鋰離子電池相當(dāng)。雖然無鈷陰極的能量密度略低，這意味著其可以存儲(chǔ)更少的鋰離子，但曼瑟拉姆（Manthiram）認(rèn)為可以通過進(jìn)一步完善其化學(xué)成分來彌補(bǔ)這一差距。

 

從理論走向商業(yè)化——無鈷電池的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，已經(jīng)暗流涌動(dòng)

 

與此同時(shí)，他正專注于將電池帶出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界。最近曼瑟拉姆（Manthiram）成立了TexPower公司，以實(shí)現(xiàn)電池陰極的商業(yè)化，他表示，從目前的趨勢(shì)來看，應(yīng)該很容易將其與現(xiàn)有的電池制造工藝相結(jié)合。這種無鈷電極可以用于一系列應(yīng)用的電池中，如消費(fèi)級(jí)電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車和能源網(wǎng)的存儲(chǔ)。

 

曼瑟拉姆（Manthiram）希望他的無鈷陰極能在幾年內(nèi)投放市場(chǎng)。然而，他不是唯一的一個(gè)在該領(lǐng)域的探索者。一家名為Sparkz的初創(chuàng)公司最近從美國能源部的橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室獲得了無鈷陰極的授權(quán)，以將該技術(shù)商業(yè)化。像松下(Panasonic)這類的老牌企業(yè)也正在競(jìng)相減少電池中的鈷含量。埃隆·馬斯克(Elon Musk)多年來一直希望在特斯拉中使用無鈷電池，許多行業(yè)分析師預(yù)計(jì)，他將在特斯拉下月舉行的“電池日”(Battery Day)活動(dòng)上宣布在低鈷鋰離子電池方面取得的突破。

 

 

然而，含鈷電池在短期內(nèi)會(huì)被取代嗎？

 

不過，含鈷陰極可能還會(huì)存在一段時(shí)間，代表生產(chǎn)商的非營(yíng)利性貿(mào)易組織鈷研究所(cobalt Institute)的前主席、現(xiàn)任顧問大衛(wèi)·韋特(David Weight)說。除了這種金屬給鋰離子電池帶來的穩(wěn)定性和性能優(yōu)勢(shì)外，制造鋰離子電池的公司花費(fèi)了數(shù)年時(shí)間和數(shù)十億美元來完善鈷類陰極化學(xué)結(jié)構(gòu)。這意味著，任何一個(gè)新的參與者都必須克服許多行業(yè)惰性。韋特（Weight）表示："在不需要鈷的化學(xué)系統(tǒng)能夠成為商業(yè)現(xiàn)實(shí)之前，我們必須展望未來很長(zhǎng)的一段路。轉(zhuǎn)向一種全新的技術(shù)不會(huì)是一蹴而就的。在可預(yù)見的未來，鈷仍將出現(xiàn)在電池中很長(zhǎng)一段時(shí)間。"

 

世界銀行(World Bank)最近的一份報(bào)告預(yù)測(cè)，在未來幾十年內(nèi)，鈷產(chǎn)量必須增加500%，才能滿足鋰離子電池日益增長(zhǎng)的需求。韋特（Weight）表示，僅憑剛果民主共和國自身是無法滿足這一需求，而目前全球范圍內(nèi)有幾家鈷勘探公司正在進(jìn)行勘探，以確保進(jìn)一步擴(kuò)大開采量。截止目前，最大的鈷礦床是在海底發(fā)現(xiàn)的，盡管深海開采仍然是一個(gè)有爭(zhēng)議的問題。但即使供應(yīng)被證明不是問題，無鈷陰極仍可使鋰離子電池比以往任何時(shí)候都更便宜、毒性更低、更符合道德規(guī)范。