东京大学的研究人员介绍了一种卓越的、无钴的锂离子电池替代品，它提供了更好的性能和寿命，在各种电化学过程中有潜在的应用。

一个replac电池中的钴元素避开了它的环境对心理和社会的影响。

高容量和可靠的可充电电池是许多设备甚至运输方式的关键组成部分。它们在向绿色世界的转变中发挥着关键作用。它们的生产中使用了各种各样的元素，包括钴，钴的生产会造成一些环境、经济和社会问题。包括东京大学研究人员在内的一个团队首次提出了一种可行的钴替代品，在某些方面可以超越最先进的电池化学。它也能在大量的充电循环中存活下来，其基础理论可以应用于其他问题。

lib的普遍性和挑战

很有可能，你正在笔记本电脑或智能手机上阅读这篇文章，如果不是，你可能至少拥有一台笔记本电脑或智能手机。在这两种设备以及许多其他设备中，你都会发现锂离子电池(LIB)。几十年来，lib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转型，它们被视为用于电动汽车和家用太阳能电池板电池的重要一步。但就像电池有正极和负极一样，锂离子电池也有与正极相对的负极。

通过用更安全、更丰富的元素取代有问题的、稀缺的钴，研究人员缓解了目前电池的一些问题。作为额外的奖励，新的电池化学物质可以在同等重量和体积的电池中产生更高的能量密度，这在电动汽车等应用中非常有用。图片来源:?2023 Yamada et al。CC-BY-ND

一方面，虽然它们是一些功率密度最高的便携式电源，但许多人希望lib能够产生更大的能量密度，使它们能够使用更长时间或为要求更高的机器供电。此外，它们可以承受大量的充电周期，但它们也会随着时间的推移而退化;如果电池能经受更多的充电周期，并能更长久地保持其容量，那对每个人都更好。但也许当前lib最令人担忧的问题在于用于构建它们的元素之一。

钴的困境

钴被广泛用于锂离子电池的关键部分——电极。所有电池的工作原理都很相似:两个电极，一个正极，一个负极，当连接到外部电路时，促进锂离子在所谓的电解质中流动。然而，钴是一种稀有元素;事实上，它非常罕见，目前只有一个主要来源:位于刚果民主共和国的一系列矿山。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，已经报道了许多问题。从供应的角度来看，由于该地区的政治和经济不稳定，钴的来源也是一个问题。

化学系统工程系的Atsuo Yamada教授说:“为了改进锂离子电池，我们想要从使用钴过渡到使用钴有很多原因。”“对我们来说，这是一个技术挑战，但它的影响可能是环境、经济、社会和技术方面的。我们很高兴地报告说，通过在电极中使用一种新的元素组合，包括锂、镍、锰、硅和氧，我们找到了钴的新替代品，这些元素在生产和使用中都更常见，问题也更少。”

很大的发展前途

山田和他的团队创造的新电极和电解质不仅不含钴，而且在某些方面实际上改善了当前电池的化学性质。新型锂电池的能量密度高出约60%，这相当于更长的寿命，它可以提供4.4伏的电压，而传统的锂电池只能提供3.2-3.7伏电压。但最令人惊讶的技术成就之一是改进了充电特性。使用新化学物质的测试电池能够在1000次循环中完全充放电(模拟3年的完全使用和充电)，同时只损失约20%的存储容量。

“到目前为止，我们对结果感到高兴，但取得这样的成绩并非没有挑战。在早期版本的新电池化学物质中，试图抑制各种不良反应是一场斗争，这些反应可能会大大缩短电池的寿命，”山田说。“我们还有一段路要走，因为为了进一步提高安全性和寿命，还有一些挥之不去的轻微反应需要缓解。目前，我们相信这项研究将为许多应用带来改进的电池，但一些需要极端耐用性和寿命的应用可能还不能满足。”

虽然Yamada和他的团队正在探索锂离子电池的应用，但他们最近发展的基础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(产生氢和氧)、矿石冶炼、电镀层等等。

参考文献:Seongjae Ko、Xiao Han、Tatau Shimada、Norio Takenaka、Yuki Yamada和Atsuo Yamada撰写的“无钴阴极和氧化硅阳极锂离子电池的电解质设计”，2023年10月19日，Nature Sustainability。DOI: 10.1038 / s41893 - 023 - 01237 - y