阿贡国家实验室的富锰电池与下一代电动汽车电池

富含锰的锂离子电池正获得实验室之外的新动力 —— 提供高能量、稳定的性能，并减少对昂贵材料的依赖。

在过去的几个月里，美国汽车制造商福特（Ford）和通用汽车（General Motors）各自宣布了对富锂锰（LMR）技术的重大投资和商业化计划。尽管行业关注度正在上升，但这些材料背后的科学基础是几十年前在美国能源部（DOE）阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）奠定的。

从基础发现到规模化生产和行业采用，阿贡实验室对 LMR 正极材料的持续研究现在正帮助重塑电池技术的设计、制造和部署方式。

供应挑战与锰的前景

目前，锂离子电池主导着全球汽车和固定式储能市场，为从智能手机到电动汽车（EV）的各种设备提供动力。

然而，依赖任何单一的电池化学成分都会造成脆弱性，这就是为什么美国能源部及其国家实验室优先考虑利用广泛可用的材料发现用于低成本、高能量电池的新化学成分。其中的关键挑战在于正极材料，历史上它是电池中最昂贵的部分，因为它依赖于钴和镍 —— 这些关键材料主要产于美国境外，因此容易受到供应链风险的影响。

20 世纪 90 年代末，在美国能源部车辆技术办公室（VTO）的支持下，阿贡实验室的研究人员发现了一类新的正极材料，因其高能量潜力和对锰的使用而脱颖而出，锰比钴和镍更丰富且价格更低廉。在十年内，工业界将这种 LMR 概念应用到了低锰（低于 30%）的镍锰钴（NMC）配方变体中，并在美国能源部车辆技术办公室的持续支持下推动了进一步的研究。虽然早期的工作侧重于理解高锰含量（超过 50%）的成分，但最近的工作已转向完善这些见解以用于实际应用。

联盟采取 “地球丰产” 策略

2010 年，美国能源部车辆技术办公室（VTO）启动了其第一个多实验室电池联盟，由阿贡实验室领导，旨在探索 LMR 正极的基础科学，并减少对钴和镍的依赖。到 2022 年底，这项努力 —— 现在被称为 “地球丰产正极活性材料联盟”（EaCAM）—— 已经证明，可以用最少的钴含量制造出高性能的正极材料。

“作为 VTO 的第一个正极联盟，EaCAM 的研究建立了对 LMR 材料的基础理解，并刺激了未来的研发，” 该联盟主任、阿贡材料科学家杰森・克罗伊（Jason Croy）说。“该计划自成立以来不断发展，但始终保持着对低成本、高能量正极的关注，目标是消除钴并减少我们对镍的依赖。因此，LMR 正极一直是我们研究中的常量。”

为了指导开发并确定性能和制造挑战，EaCAM 研究人员将阿贡实验室开发的无钴 LMR 正极的实验数据与技术经济模型相结合，以评估其可行性。预测结果令人鼓舞 —— 无钴 LMR 系统可以实现比领先的磷酸铁锂（LiFePO4，或 LFP）电池高出约 25% 的能量密度，且预计成本相同或更低。

然而，要达到这一目标，需要从原子和颗粒结构到电极需求等方面完善 LMR 正极的结构和性能。因此，EaCAM 团队实现了：

• （1）用于高性能 LMR 的新型合成和加工方法；
• （2）用于延长循环寿命的表面和体相稳定化；
• （3）通过新型表面改性减少锰溶解；
• （4）降低比面积阻抗（电流的受限流动）并最小化循环过程中的阻抗增长；
• （5）通过优化颗粒和电极结构增加电极负载量。

随着这些改进，最新的 LMR 系统现在预计能以每千瓦时约 80 美元的成本提供约 270 瓦时 / 千克（Wh/kg，衡量电池每千克质量可储存多少能量的指标）的电池级能量密度。这相比平均约 210 瓦时 / 千克且成本相似的 LFP 电池提供了显著的性能提升。

“该团队采用了一种新颖的策略，根据 LMR 的固有复杂性来定制其特性，” 克罗伊解释说。“我们采取了一种全面的方法来跨尺度修改 LMR 系统，从原子和颗粒结构到电极配方。该团队的深入理解带来了持续的改进，这对除 LMR 之外的富锰正极也具有令人兴奋的意义。”

为此，EaCAM 团队正在开发一类新的正极材料，称为富锂尖晶石（LxS）。这些材料在结构和电化学上与传统氧化物不同，目前正在研究它们是否具有更高的稳定性和能量密度，并提供替代反应路径 —— 即不同的存储和释放电荷的电化学过程。LxS 材料在循环过程中还表现出低体积变化，这可能使其非常适合用于长寿命的固态电池系统。

在其任期内，该联盟率先提出了复杂 LMR 机制的模型，开发了高性能零钴正极，发明了一类新的富锰正极，并实施了用于评估材料、电池和性能数据的共享协议。

EaCAM 的努力也为 VTO 支持的相关领域的其他工作提供了信息，包括硅负极、锂金属电池、界面设计、钠离子电池以及其他地球丰产的富锰化学物质。随着行业势头的增强，这项广泛的工作正在帮助规划一条利用美国丰富材料制造经济实惠、高能量电池的新路线。

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