相關(guān)論文通訊作者、UCI物理學和天文學教授Huolin Xin表示：“通過‘高熵摻雜’技術(shù)，我們成功地制造出一種無鈷層狀陰極，可在反復充放電循環(huán)中具有極高的耐熱性和穩(wěn)定性，解決了長期以來富鎳電池材料的安全性和穩(wěn)定性問題，為廣泛的商業(yè)應(yīng)用鋪平了道路。”

圖片來源：加州大學

該論文的作者稱，鈷在化學上可穩(wěn)定鋰離子電池的陰極，但也是阻礙電動汽車、卡車和其他需要電池的電子設(shè)備被廣泛采用的重要原因之一，因為其開采地區(qū)主要為剛果民主共和國，開采環(huán)境惡劣且存在虐待行徑。

Xin表示：“電動汽車制造商急于減少電池組中鈷的使用，不僅是為了降低成本，而且是為了反對雇傭童工。研究表明，鈷會在高壓下導致氧氣釋放，從而損壞鋰離子電池。因此電池中的鈷需要被替代。”

然而，鎳基正極也存在耐熱性差等問題，容易導致電池材料氧化、熱失控甚至爆炸。盡管富鎳陰極可以容納更大的容量，但反復膨脹和收縮引起的體積應(yīng)變會導致穩(wěn)定性差和安全問題。

通過使用HE-LMNO，研究人員試圖通過成分復雜的高熵摻雜來解決上述問題。HE-LMNO是結(jié)構(gòu)內(nèi)部過渡金屬鎂、鈦、錳、鉬和鈮的混合物，其表面和界面富有這些礦物的子集與其他電池材料。

通過使用一系列同步加速器X射線衍射、透射電子顯微鏡和3D納米斷層成像儀器，Xin及其同事確定其零鈷陰極在重復使用期間表現(xiàn)出零體積變化。這種高度穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)能夠承受1,000多次循環(huán)和高溫，因此可與鎳含量低得多的陰極相媲美。

對于其中一些研究工具，Xin是與位于紐約美國能源部布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)的國家同步加速器光源II(National Synchrotron Light Source II，NSLS-II)的研究人員合作。作為美國能源部科學辦公室用戶設(shè)施，NSLS-II為團隊提供了使用其28種科學儀器中的三種(稱為光束線)的權(quán)限，以研究新陰極的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

NSLS-II的科學家、論文合著者Mingyuan Ge表示：“在NSLS II光束線上將不同方法結(jié)合，我們能夠發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部氧空位和缺陷的捕獲效應(yīng)，從而有效地防止HE-LMNO二次粒子中裂紋的形成，進而使這種結(jié)構(gòu)在循環(huán)過程中非常穩(wěn)定。”

Xin補充說：“使用這些先進的工具，我們能夠觀察到陰極顯著提高的熱穩(wěn)定性和零體積變化特性，并且我們已經(jīng)能夠證明容量保持率和循環(huán)壽命也顯著提高。這項研究可以為開發(fā)現(xiàn)有能量密集型電池替代品奠定基礎(chǔ)。”