无钴电池提供更清洁更环保的电源

高容量且可靠的可充电电池是许多设备甚至运输方式的关键组件。它们在向绿色世界转变的过程中发挥着关键作用。它们的生产中使用了多种元素，包括钴，其生产会导致一些环境、经济和社会问题。由东京大学研究人员组成的团队首次提出了一种可行的钴替代品，它在某些方面可以超越最先进的电池化学材料。它还可以承受大量的充电循环，并且其基本理论可以应用于其他问题。

您很可能正在笔记本电脑或智能手机上阅读本文，如果没有，您可能至少拥有其中一台。在这两种设备以及许多其他设备中，您都会发现锂离子电池 (LIB)。几十年来，锂离子电池一直是为便携式或移动电子设备和机器供电的标准方式。随着世界从化石燃料过渡，它们被视为电动汽车和带有太阳能电池板的家用电池的重要一步。但正如电池有正极和负极一样，锂离子电池也有与正极相对应的负极点。

一方面，尽管它们是功率密度最高的便携式电源之一，但许多人希望锂离子电池能够产生更大的能量密度，以使其使用寿命更长或为要求更高的机器提供动力。此外，它们可以承受大量的充电周期，但也会随着时间的推移而退化;如果电池能够承受更多的充电周期并保持更长时间的容量，那对每个人来说都会更好。但当前锂离子电池最令人担忧的问题也许在于其构造所使用的元件之一。

钴广泛用于锂离子电池的关键部件——电极。所有电池的工作方式都相似：两个电极(一正一负)连接到外部电路时，会促进锂离子在电解质之间流动。然而，钴是一种稀有元素。事实上，它是如此罕见，以至于目前它的主要来源只有一个：位于刚果民主共和国的一系列地雷。多年来，关于这些矿山的环境后果以及那里的劳动条件(包括使用童工)的许多问题已经被报道。同样从供应角度来看，由于该地区政治和经济不稳定，钴的来源也是一个问题。

“我们希望放弃使用钴以改进锂离子电池的原因有很多，”化学系统工程系的 Atsuo Yamada 教授说。“对我们来说，挑战是技术性的，但其影响可能是环境、经济、社会和技术方面的。我们很高兴地报告一种新的钴替代品，它在电极中使用了一种新颖的元素组合，包括锂、镍、锰、硅和氧——这些元素在生产和使用时都是更常见、问题更少的元素。”

山田和他的团队创造的新电极和电解质不仅不含钴，而且实际上在某些方面改进了当前的电池化学成分。新型锂离子电池的能量密度高出约 60%，这意味着使用寿命更长，并且可以提供 4.4 伏的电压，而典型锂离子电池的电压约为 3.2-3.7 伏。但最令人惊讶的技术成就之一是改进了充电特性。采用新化学成分的测试电池能够完全充电和放电超过 1,000 次循环(模拟三年的完全使用和充电)，同时仅损失约 20% 的存储容量。

“我们对迄今为止的结果感到满意，但到达这里并非没有挑战。试图抑制我们的新电池化学物质的早期版本中发生的各种不良反应是一项艰巨的任务，这些反应可能会大大缩短电池的寿命，”山田说。“我们还有很长的路要走，因为需要缓解一些挥之不去的轻微反应，以进一步提高安全性和寿命。目前，我们相信这项研究将为许多应用带来改进的电池，但一些需要极高耐用性和使用寿命的电池可能还不能满足。”

尽管山田和他的团队正在探索锂离子电池的应用，但他们最近开发的概念可以应用于其他电化学过程和设备，包括其他类型的电池、水分解(产生氢气和氧气)、矿石熔炼、电镀和更多。