隨著汽車、卡車和公共汽車（甚至飛機(jī)和火車）越來(lái)越多地從燃燒化石燃料轉(zhuǎn)向使用電池，對(duì)關(guān)鍵電池金屬的需求開(kāi)始飆升。根據(jù)市場(chǎng)情報(bào)公司S&P Global最近的一份報(bào)告（https://www.spglobal.com/marketintelligence/en/campaigns/battery-metals-market），電動(dòng)汽車的銷量預(yù)計(jì)將在2023年至2027年間翻一番，到2024年將引發(fā)鋰短缺，到2027年將引發(fā)鎳和鈷短缺，鎳和鈷是當(dāng)今鋰電池陰極的兩種關(guān)鍵成分。

研究人員正試圖制造出使用較少這些關(guān)鍵金屬的陰極，或者完全取代它們。一個(gè)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們可能找到了合適的材料：無(wú)序巖鹽（DRX） —— 食鹽的“表親”。由勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（伯克利實(shí)驗(yàn)室）領(lǐng)導(dǎo)的DRX聯(lián)盟目前正競(jìng)相將這種有前景的新型陰極競(jìng)爭(zhēng)者商業(yè)化，計(jì)劃在不到五年的時(shí)間內(nèi)展示電動(dòng)汽車電池的DRX陰極。

DRX陰極可以生產(chǎn)出比現(xiàn)在更具單位重量能量的鋰離子電池，這將使車輛的續(xù)航里程更長(zhǎng)。這些陰極可以在沒(méi)有鈷和鎳的情況下提供這種能量密度優(yōu)勢(shì)。DRX聯(lián)盟最早的一些配方是用錳或鈦制成的，它們都比鎳和鈷便宜。

伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究科學(xué)家Guoying Chen表示：“你可以使用很多不同的過(guò)渡金屬 —— 元素要豐富得多，我們也很容易獲得。這些年來(lái)，傳統(tǒng)的鋰離子正極材料一直依賴鎳和鈷，但現(xiàn)在我們突然有了一個(gè)多功能、靈活的空間。可持續(xù)性確實(shí)成為了一大優(yōu)勢(shì)。”他與加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程教授Gerbrand Ceder共同領(lǐng)導(dǎo)該聯(lián)盟。

當(dāng)今電池中使用的高密度陰極是由鋰金屬氧化物制成的。它們的晶體結(jié)構(gòu)由鋰與鈷、鎳和其他金屬交替的重復(fù)層組成。鋰離子很容易滑入和滑出層之間的間隙，而鈷離子就像支撐柱一樣，使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。Chen說(shuō)：“如果你不使用鈷之類的東西，當(dāng)你對(duì)這些材料進(jìn)行充電和放電時(shí)，層狀結(jié)構(gòu)就不那么穩(wěn)定了。”這就是為什么完全去除鈷一直是一個(gè)挑戰(zhàn)，盡管幾個(gè)制造無(wú)鈷陰極的研究項(xiàng)目正在進(jìn)行中。

“All these years, traditional lithium-ion cathode materials have relied on nickel and cobalt, but now all of a sudden we have a versatile, flexible space.”

—GUOYING CHEN, RESEARCH SCIENTIST, BERKELEY LAB

但在所有電池金屬中，鈷是一個(gè)特別棘手的金屬。世界上一半以上的鈷來(lái)自剛果民主共和國(guó)，那里的采礦做法引起了人們對(duì)環(huán)境和人權(quán)問(wèn)題的擔(dān)憂。使用更好的方法在世界新地區(qū)尋找鈷和其他電池金屬是一種解決方案。從海洋采礦是另一回事，但它也子某種程度上能夠解決問(wèn)題。

DRX材料不需要鈷來(lái)獲得穩(wěn)定性，因?yàn)樗鼈兙哂辛⒎蕉菍訝畹木w結(jié)構(gòu)。鋰離子在材料中以三維滲透，而不是像在傳統(tǒng)的層狀陰極材料中那樣以二維滲透。Chen說(shuō)，這意味著DRX陰極可以“填充更多的鋰離子，這就是為什么它們能提供更高的能量密度”。我們稱之為鋰過(guò)剩的正極材料。”

Ceder和他的同事于2014年（https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/EE/C5EE02329G）首次報(bào)道了DRX材料在計(jì)算研究中顯示出足夠的鋰離子存儲(chǔ)前景，研究人員對(duì)這些材料進(jìn)行了為期四年的深入研究（energy.gov/eere/vehicles/articles/deep-dive-next-generation-cathode-materials-2b-new-class-materials）。該團(tuán)隊(duì)隨后于2022年10月成立了DRX聯(lián)盟，美國(guó)能源汽車技術(shù)辦公室提供了2000萬(wàn)美元的資金。

該聯(lián)盟分布在美國(guó)能源部的各個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)。不同的團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行計(jì)算建模，以得出新的和改進(jìn)的DRX陰極化學(xué)成分；制作材料并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以表征和改進(jìn)它們；進(jìn)而開(kāi)發(fā)最適合電池中DRX陰極的新型電解質(zhì)。

Chen說(shuō)，研究人員必須克服的最大挑戰(zhàn)是制造能夠持續(xù)數(shù)千次充電循環(huán)的穩(wěn)定材料。“我們的材料表現(xiàn)出了良好的性能，但我們正在研究的一件主要事情是使用DRX材料來(lái)提高電池的循環(huán)壽命，希望這些材料在電動(dòng)汽車電池中使用很長(zhǎng)時(shí)間。”

審核編輯：彭菁