佐治亚理工学院的新阴极技术将彻底改变电动汽车和能源储存

诸平

Fig. 1 A research team has developed a low-cost FeCl3 cathode that could transform electric vehicles by making lithium-ion batteries cheaper and more efficient. This innovation enhances both performance and sustainability. Credit: SciTechDaily.com

Fig. 2 Hailong Chen and Zhantao Liu present a new, low-cost cathode for all-solid-state lithium-ion batteries. Credit: Jerry Grillo

Fig. 3 Zhantao Liu with the new low-cost cathode that could revolutionize lithium-ion batteries and the EV industry. Photo by Jerry Grillo

据美国佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology简称Georgia Tech, Atlanta, GA, USA)2024年9月27日提供的消息，佐治亚理工学院的新阴极技术将彻底改变电动汽车和能源储存(Georgia Tech’s New Cathode Technology Could Revolutionize Electric Vehicles and Energy Storage)。

佐治亚理工学院(Georgia Tech)的研究人员开发了一种新的氯化铁阴极，可以降低锂离子电池的成本，并彻底改变电动汽车（electric vehicl简称EV）和能源储存。由该院的陈海龙（Hailong Chen音译）领导的一个来自多家机构的研究小组，开发了一种新的、具有成本效益的阴极，具有显著增强锂离子电池(LIBs)的潜力，有可能彻底改变电动汽车(EV)市场和大规模储能系统。

佐治亚理工学院乔治·伍德拉夫机械工程学院（George W. Woodruff School of Mechanical Engineering）和材料科学与工程学院（School of Materials Science and Engineering）的副教授陈海龙说：“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替代品。我想我们找到了一个。”

这种革命性的材料，氯化铁(FeCl₃)，成本仅为典型阴极材料的1%~2%，并且可以储存相同数量的电能。阴极材料影响容量、能量和效率，对电池的性能、寿命和价格起着重要作用。相关研究结果于2024年9月23日已经在《自然可持续发展》（Nature Sustainability）杂志网站在线发表——Zhantao Liu, Jue Liu, Simin Zhao, Sangni Xun, Paul Byaruhanga, Shuo Chen, Yuanzhi Tang, Ting Zhu, Hailong Chen. Low-cost iron trichloride cathode for all-solid-state lithium-ion batteries. Nature Sustainability, 2024. DOI: 10.1038/s41893-024-01431-6. Published: 23 September 2024. https://www.nature.com/articles/s41893-024-01431-6

参与此项研究的除了来自美国佐治亚理工学院的研究人员之外，还有来自美国橡树林国家实验室（Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN, USA）以及美国休斯顿大学（University of Houston, Houston, TX, USA）的研究人员。

此研究论文的通讯作者陈海龙说：“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和整个锂离子电池市场。”

20世纪90年代初，索尼（Sony）公司首次将锂离子电池（LIBs）商业化，这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。这项技术最终发展到为电动汽车提供燃料，提供可靠、可充电、高密度的能源。但与个人电子产品不同的是，像电动汽车这样的大规模能源用户对锂离子电池（LIBs）的成本尤为敏感。

电池目前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的、排放温室气体的同类汽车更昂贵。陈海龙团队的发明可能会改变这一点。

制造更好的电池（Building a Better Battery）

与老式的碱性电池和铅酸电池相比，锂离子电池（LIBs）在更小的封装中存储更多的能量，并且在两次充电之间为设备供电的时间更长。但LIBs含有昂贵的金属，包括钴和镍等半贵重元素，而且它们的制造成本很高。到目前为止，只有4种类型的阴极已经成功商业化用于LIBs。陈海龙团队的阴极将是第5种，它将代表电池技术向前迈出的一大步:全固态锂离子电池的发展。

传统的LIBs使用液体电解质来运输锂离子以储存和释放能量。它们对储存的能量有严格的限制，而且它们可能会泄漏和着火。但全固态锂电池使用固体电解质，大大提高了电池的效率和可靠性，使其更安全，能够储存更多的能量。这些仍处于开发和测试阶段的电池将是一个相当大的改进。

随着全球的研究人员和制造商竞相使全固态技术变得实用，陈海龙和他的合作者已经开发出一种经济实惠且可持续的解决方案。采用FeCl₃阴极、固体电解质和锂金属阳极，整个电池系统的成本是目前LIBs的30%~40%。

陈海龙说：“这不仅可以使电动汽车比内燃汽车便宜得多，而且还提供了一种新的、有前途的大规模能源储存形式，增强了电网的弹性。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。”

新发现的坚实开端（Solid Start to New Discovery）

陈海龙对FeCl₃作为阴极材料的兴趣源于他的实验室对固体电解质材料的研究。从2019年开始，他的实验室试图使用氯基固体电解质和传统的商用氧化物基阴极制造固态电池。但进展并不顺利，阴极和电解质材料无法相处。

研究人员认为，氯化物基阴极（chloride-based cathode）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。

陈海龙说:“我们发现了一个值得尝试的候选材料(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，它的功能和我们预期的一样。”

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，这两种重元素可能有毒，并对环境构成挑战。相比之下，陈海龙团队的阴极只含有铁(Fe)和氯(Cl)，这些元素丰富，价格低廉，广泛应用于钢铁和食盐中。

在最初的测试中，他们发现FeCl₃的性能与其他昂贵得多的阴极一样好，甚至更好。例如，它具有比常用的阴极磷酸铁锂 (lithium iron phosphate简称LFP, LiFePO₄)更高的工作电压，这是电池连接到设备时提供的电力，类似于花园软管的水压。

据陈海龙的表述，这项技术在电动汽车上实现商业可行性可能需要不到5年的时间。目前，研究小组将继续研究FeCl₃和相关材料。这项工作是由陈海龙和博士后刘战涛(Zhantao Liu音译，该研究的第一作者)领导的。陈海龙说：“我们希望在实验室中使这些材料尽可能完美，并了解其潜在的功能机制。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。”

本研究得到了美国国家科学基金会{National Science Foundation (Grant Nos. 1706723, 2108688, and 1923802)}、美国佐治亚理工学院教师启动基金（faculty startup fund of Georgia Tech）；美国能源部、科学办公室、基础能源科学办公室{DOE, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences for funding support (Grant No. DOE-BES-ERKCSNX)}、美国宇航局{NASA (Grant No. 80NSSC21K0483)}的资助或支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The dominant chemistries of lithium-ion batteries on the market today still rely on flammable organic liquid electrolytes and cathodes containing scarce metals, such as cobalt or nickel, raising safety, cost and environmental concerns. Here we show a FeCl₃ cathode that costs as little as 1% of the cost of a LiCoO₂ cathode or 2% of a LiFePO₄ cathode. Once coupled with a solid halide electrolyte and a lithium-indium (Li–In) alloy anode, it enables all-solid-state lithium-ion batteries without any liquid components. Notably, FeCl₃ exhibits two flat voltage plateaux between 3.5 and 3.8 V versus Li⁺/Li, and the solid cell retains 83% of its initial capacity after 1,000 cycles with an average Coulombic efficiency of 99.95%. Combined neutron diffraction and X-ray absorption spectroscopy characterizations reveal a Li-ion (de)intercalation mechanism together with a Fe²⁺/Fe³⁺ redox process. Our work provides a promising avenue for developing sustainable battery technologies with a favourable balance of performance, cost and safety.