可充电锂离子电池被越来越多地应用于智能手机、笔记本电脑、电动汽车和储能系统等设备。但通常用于这些电池阴极的镍和钴的供应是有限的。
由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)领导的一项新研究为锰(地壳中含量第五丰富的金属)开辟了一种潜在的低成本、安全的替代品。研究人员表明，锰可以有效地用于新兴的阴极材料，称为无序岩盐，或DRX。
先前的研究表明，为了表现良好，DRX材料必须在能源密集型工艺中被磨成纳米级颗粒。但这项新研究发现，锰基阴极实际上可以在比预期大1000倍的粒子上表现出色。
这项研究发表在9月19日的《自然纳米技术》杂志上。
“利用可再生能源发电的方法有很多，但重要的是如何储存它，”加州大学伯克利分校的博士生、伯克利实验室Ceder小组的电池技术研究员侯汉明(Han-Ming Hau)说。
“通过应用我们的新方法，我们可以使用一种既丰富又低成本的材料，而且比一些商业化的锂离子电池正极材料需要更少的能量和时间来生产。而且它可以储存同样多的能量，工作起来也一样好。”
研究人员使用了一种新的为期两天的工艺，首先从阴极材料中去除锂离子，然后在低温(约200摄氏度)下加热。这与锰基DRX材料的现有工艺形成对比，后者需要三周以上的处理时间。
研究人员使用最先进的电子显微镜捕捉到了锰基材料的原子尺度图像。他们发现，在应用他们的工艺后，这种材料形成了纳米级的半有序结构，实际上提高了电池的性能，使其能够密集地储存和传递能量。
该团队还使用不同的x射线技术来研究电池循环如何在宏观水平上引起锰和氧的化学变化。通过研究锰材料在不同尺度下的表现，该团队开辟了制造锰基阴极的不同方法，并对纳米工程未来电池材料有了深入的了解。
“我们现在对这种材料独特的纳米结构有了更好的了解，”Hau说，“并且有了一种合成过程来引起这种材料的‘相变’，从而提高其电化学性能。”这是推动这种材料更接近现实世界电池应用的重要一步。”
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