Science——特斯拉召唤无钴电池！钴，究竟是怎样的磨人小妖精

2月18日路透社报道，特斯拉正与供应商宁德时代商讨在国产车型上接纳无钴动力电池。一石激起千层浪，惊动五洲四大洋。消息一出，多家钴业企业股价跌停，技术股民百孔千疮，磷酸铁锂则重被推向风口浪尖。

随后，2月21日晚特斯拉再次放消息声明，其无钴电池计划或存在多种技术门路。磷酸铁锂CTP？镍锰质料？干电池技术＋超级电容器？民间推测四起，事件疑团重重，一时难分真假，只能耐心等候4月的官方消息。现在唯一可以确定的就是，商业电动车巨头特斯拉公然站队无钴电池！已知日本Sony公司于1992年开发了以LiCoO2为正极的第一批商用锂离子电池（LIBs），经由近三十年的生长，人们又开始决议放弃钴的使用，那么钴这个磨人的小妖精在电池中究竟饰演着怎样的角色呢？

克日，美国阿贡国家实验室/加拿大滑铁卢大学的Mattew Li（第一作者）和阿贡国家实验室的陆俊研究员（通讯作者）在Science上揭晓了一篇题为“Cobalt in lithium-ion batteries”的Perspective文章，概述了Co在层状正极质料中存在的作用以及可以进一步淘汰或去除Co量的研究偏向。

相比于其他过渡金属，钴的资源相对稀缺、成本更高，而且因其在非洲的开采方式还会牵扯到政治和伦理问题。通过接纳镍和锰部门替代钴酸锂（LCO）中的钴，现在已经开发了一些更为自制的正极质料如LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）和LiNi1-x-yCoxMnyO2（NMC，x和y

人们在追求高镍和高能量密度的历程中发现，LiNiO2（LNO）是一个理想选择。然而，LNO的循环稳定性较差，且其晶格不稳定容易造成宁静隐患。

LNO的晶格不稳定性可由上图解释。Ni因为具有较强的磁矩，自己在氧化物的过渡金属层中就不稳定：三个呈三角排列的Ni2+阳离子经常有两种相反的磁矩，形成“磁阻挫“。因为Li+离子没有磁矩，所以它们倾向于与部门Ni离子交流，如此可以缓解磁阻挫。但Li-Ni混排会使得缺锂LiO2层厚度减小，严重阻碍锂离子的传输，最终导致LNO性能的快速衰退。而当在合成和脱锂历程中向LNO内引入Co时，由于Ni含量降低，Li-Ni混排现象将大幅淘汰。更重要的是，Co3+阳离子也没有磁矩，可在过渡金属层中充当缓冲原子，缓解磁阻挫，讲明了Co的稳定剂作用。

作者指出直接淘汰三元质料中的Co含量会降低质料的循环稳定性和宁静性。相反，用其他元素如Ti来部门替代Co能够获得较为理想的性能。此外，只管已有磁阻挫的影响，Co在原始LiNiO2系统中的重要性还需要进一步验证统一。

文章的最后强调确定新正极的优化身分和合成条件需要严谨且广泛的析因实验设计，历程中人工智能技术可以加速优化元素和身分的筛选。虽然完全消除Co是终极研究目的，保证那些成本更低的低Co正极保持好的性能也同样重要。这一权衡依赖于未来Co从采矿和再循环中获得的供应量巨细。

文献信息

Cobalt in lithium-ion batteries (Science, 2020, DOI: 10.1126/science.aba9168)

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