隨著汽車、卡車和公共汽車（甚至飛機和火車）越來越多地從燃燒化石燃料轉向使用電池，對關鍵電池金屬的需求開始飆升。根據市場情報公司S&P Global最近的一份報告（https://www.spglobal.com/marketintelligence/en/campaigns/battery-metals-market），電動汽車的銷量預計將在2023年至2027年間翻一番，到2024年將引發鋰短缺，到2027年將引發鎳和鈷短缺，鎳和鈷是當今鋰電池陰極的兩種關鍵成分。

研究人員正試圖制造出使用較少這些關鍵金屬的陰極，或者完全取代它們。一個團隊認為，他們可能找到了合適的材料：無序巖鹽（DRX） —— 食鹽的“表親”。由勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）領導的DRX聯盟目前正競相將這種有前景的新型陰極競爭者商業化，計劃在不到五年的時間內展示電動汽車電池的DRX陰極。

DRX陰極可以生產出比現在更具單位重量能量的鋰離子電池，這將使車輛的續航里程更長。這些陰極可以在沒有鈷和鎳的情況下提供這種能量密度優勢。DRX聯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。

伯克利實驗室的研究科學家Guoying Chen表示：“你可以使用很多不同的過渡金屬 —— 元素要豐富得多，我們也很容易獲得。這些年來，傳統的鋰離子正極材料一直依賴鎳和鈷，但現在我們突然有了一個多功能、靈活的空間。可持續性確實成為了一大優勢。”他與加州大學伯克利分校材料科學與工程教授Gerbrand Ceder共同領導該聯盟。

當今電池中使用的高密度陰極是由鋰金屬氧化物制成的。它們的晶體結構由鋰與鈷、鎳和其他金屬交替的重復層組成。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，使結構穩定。Chen說：“如果你不使用鈷之類的東西，當你對這些材料進行充電和放電時，層狀結構就不那么穩定了。”這就是為什么完全去除鈷一直是一個挑戰，盡管幾個制造無鈷陰極的研究項目正在進行中。

“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，鈷是一個特別棘手的金屬。世界上一半以上的鈷來自剛果民主共和國，那里的采礦做法引起了人們對環境和人權問題的擔憂。使用更好的方法在世界新地區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題。

DRX材料不需要鈷來獲得穩定性，因為它們具有立方而非層狀的晶體結構。鋰離子在材料中以三維滲透，而不是像在傳統的層狀陰極材料中那樣以二維滲透。Chen說，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）首次報道了DRX材料在計算研究中顯示出足夠的鋰離子存儲前景，研究人員對這些材料進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）。該團隊隨后于2022年10月成立了DRX聯盟，美國能源汽車技術辦公室提供了2000萬美元的資金。

該聯盟分布在美國能源部的各個國家實驗室和大學。不同的團隊正在進行計算建模，以得出新的和改進的DRX陰極化學成分；制作材料并對其進行實驗測試，以表征和改進它們；進而開發最適合電池中DRX陰極的新型電解質。

Chen說，研究人員必須克服的最大挑戰是制造能夠持續數千次充電循環的穩定材料。“我們的材料表現出了良好的性能，但我們正在研究的一件主要事情是使用DRX材料來提高電池的循環壽命，希望這些材料在電動汽車電池中使用很長時間。”

審核編輯：彭菁