新型阴极技术可为电动汽车和能源存储带来革命性变革

由佐治亚理工学院的陈海龙（Hailong Chen）领导的一个由多个机构组成的研究小组开发出了一种新型、高性价比的阴极，有望显著提高锂离子电池（LIB）的性能，为电动汽车（EV）市场和大规模储能系统带来革命性的变革。

"长期以来，人们一直在寻找一种成本更低、更可持续的阴极材料来替代现有的阴极材料。我认为我们已经找到了一种，"陈说，他是乔治-伍德鲁夫机械工程学院和材料科学与工程学院的副教授。

这种革命性的材料是氯化铁（FeCl3），成本仅为典型阴极材料的 1-2%，却能储存相同的电量。阴极材料会影响容量、能量和效率，对电池的性能、寿命和经济性起着重要作用。

陈说："我们的阴极可以改变游戏规则，这将极大地改善电动汽车市场--以及整个锂离子电池市场。"他的团队在Nature Sustainability上介绍了他们的工作。

20 世纪 90 年代初，索尼公司首次将锂离子电池商业化，引发了智能手机和平板电脑等个人电子产品的爆炸式增长。该技术最终发展成为电动汽车的燃料，提供了一种可靠、可充电、高密度的能源。但与个人电子产品不同，电动汽车等大型能源用户对锂电池的成本尤为敏感。

陈海龙和刘占涛展示了一种新型、低成本的全固态锂离子电池正极。图片来源：Jerry Grillo

目前，电池约占电动汽车总成本的 50%，这使得这些清洁能源汽车比内燃、排放温室气体的同类汽车更加昂贵。陈博士团队的发明可以改变这种状况。

制造更好的电池

与老式的碱性电池和铅酸电池相比，锂离子电池以更小的体积储存更多的能量，并能在两次充电之间为设备提供更长时间的电力。但锂电池含有昂贵的金属，包括钴和镍等半贵金属元素，制造成本较高。

迄今为止，只有四种类型的阴极成功实现了锂电池的商业化。陈博士的技术将是第五种，它代表着电池技术向前迈进了一大步：全固态锂离子电池的开发。

传统的锂离子电池使用液态电解质来传输锂离子，以储存和释放能量。液态锂离子电池对能量的存储量有严格限制，而且可能发生泄漏和起火。但全固态锂电池使用固态电解质，大大提高了电池的效率和可靠性，使其更加安全，并能储存更多能量。这种电池目前仍处于开发和测试阶段，但将是一项重大改进。

就在全球的研究人员和制造商争相将全固态技术付诸实践之际，陈和他的合作者开发出了一种经济实惠且可持续的解决方案。有了三氯化铁阴极、固体电解质和锂金属阳极，他们的整个电池系统成本仅为目前锂电池的 30-40%。

陈说："这不仅能使电动汽车比内燃汽车便宜得多，还能提供一种新型的、前景广阔的大规模储能形式，增强电网的弹性。此外，我们的阴极将大大提高电动汽车市场的可持续性和供应链稳定性。"

新发现的坚实起点

陈对作为阴极材料的 FeCl3 的兴趣源于其实验室对固体电解质材料的研究。从 2019 年开始，他的实验室尝试使用氯化物基固体电解质和传统的商用氧化物基阴极制造固态电池。结果并不顺利--阴极和电解质材料并不兼容。

研究人员认为，基于氯化物的阴极可以与氯化物电解质更好地配对，从而提供更好的电池性能。陈说："我们发现了一种值得尝试的候选物质（FeCl3），因为它的晶体结构可能适合储存和运输锂离子，幸运的是，它的功能达到了我们的预期。"

目前，电动汽车中最常用的阴极是氧化物，需要大量昂贵的镍和钴，这些重元素可能有毒，对环境构成挑战。相比之下，陈博士团队的阴极只含有铁（Fe）和氯（Cl）--这些元素在钢铁和食盐中含量丰富、价格低廉、应用广泛。

在他们的初步测试中发现，FeCl3 的性能与其他昂贵得多的阴极不相上下，甚至更好。例如，它的工作电压比常用的正极 LiFePO4（磷酸铁锂，或 LFP）高，后者是电池连接到设备时提供的电力，类似于花园水管的水压。

这项技术距离电动汽车的商业化可能还不到五年时间。目前，研究小组将继续研究氯化铁和相关材料。这项工作由陈和博士后刘占涛（研究的第一作者）领导。合作者包括佐治亚理工学院伍德拉夫学院（朱婷）和地球与大气科学学院（唐远志）的研究人员，以及橡树岭国家实验室（刘珏）和休斯顿大学（陈硕）的研究人员。

"我们希望在实验室中使材料尽可能完美，并了解其基本运作机制，"陈说。"但我们对扩大技术规模并将其推向商业应用的机会持开放态度。"