一个研究团队已推出一种经济实惠的氯化铁阴极，适用于全固态锂离子电池，这有可能降低电动汽车和大规模能源储存解决方案的成本并提升性能。由乔治亚理工学院的陈海龙领导的合作研究努力创造了一种创新的、成本效益高的阴极，可以显著提升锂离子电池（LIBs）的性能，有可能彻底改变电动汽车（EVs）和广泛的能源储存系统的市场。
“长期以来，人们一直在寻找更实惠、更可持续的替代现有阴极材料。我相信我们找到了一个”，陈表示，他同时担任乔治·W·伍德拉夫机械工程学院和材料科学与工程学院的副教授。
这种突破性的材料，氯化铁（FeCl3），仅占常规阴极材料的1-2％的成本，同时能够储存等量的能量。阴极材料的选择至关重要，因为它影响电池的容量、能量输出、效率以及整体性能、寿命和性价比。
“我们的阴极真的是一个颠覆性的变化，”陈坚定地说，他的团队在《自然可持续性》上详细介绍了他们的研究成果。“这将对电动汽车市场产生显著影响，并提升整个锂离子电池行业的水平。”
锂离子电池最初由索尼在1990年代初期商业化，促使了个人电子设备的激增，包括智能手机和平板电脑。随着时间的推移，这项技术发展为电动汽车提供电力，提供了可靠、可充电和高密度的能源来源。然而，与消费电子产品不同，大规模能源消费者如电动汽车对锂离子电池的相关成本特别敏感。
目前，电池约占电动汽车总成本的50％，使这些环保车辆相比传统的内燃机更昂贵，这些内燃机排放温室气体。陈的团队的创新可能会改变这种现状。
制造优质电池
与传统的碱性电池和铅酸电池相比，锂离子电池提供了一种更紧凑的能源储存解决方案，可在充电间隔时间更长。然而，锂离子电池需要昂贵的金属，包含钴和镍等稀有元素，这导致生产成本高。
迄今为止，只有四种类型的阴极成功商业化用于锂离子电池。陈的开发将标志着第五种类型，并象征着全固态锂离子电池技术的重大进展。
标准的锂离子电池依赖液体电解质来移动储存和释放能量的锂离子，这对能量储存能力施加了严格的限制，并提高了泄露和火灾的风险。相反，全固态锂离子电池利用固体电解质，显著提高了电池的效率、可靠性和安全性，同时实现更高的能量存储能力。这些新电池仍处于开发和测试阶段，承诺带来显著改进。
随着全球的研究人员和制造商努力创造实用的全固态技术，陈和他的团队推出了一种经济实惠和可持续的选择。采用FeCl3阴极、固体电解质和锂金属阳极的完整电池系统的成本仅为目前市场上锂离子电池的30-40%。
“这不仅可以使电动汽车比传统内燃机车辆更便宜，而且为大规模能源储存引入了有希望的解决方案，从而增强电网的韧性，”陈说。“此外，我们的阴极将显著提高电动汽车行业供应链的可持续性和可靠性。”
新的发现的坚实开端
陈对FeCl3作为阴极材料的兴趣源于他的实验室对固体电解质物质的探索。从2019年开始，他的团队尝试使用基于氯化物的固体电解质制造固态电池，但在将它们与传统商业氧化物基阴极配对时遇到了挑战。
研究人员认为，基于氯化物的阴极可能会与氯化物电解质更好地配合，最终提高电池性能。
“我们确定FeCl3是进一步探索的合适选择，因为其晶体结构显示出有效储存和转移锂离子的潜力，幸运的是，它的表现符合我们的预期，”陈解释道。
目前，在电动汽车中使用的最常见的阴极是氧化物，这需要大量昂贵的镍和钴——这些重金属可能具有毒性并带来环境问题。相比之下，陈的团队开发的阴极仅由铁（Fe）和氯（Cl）组成——这些元素在钢铁和食盐中随处可见，且成本低廉。
最初测试表明，FeCl3的表现与其他更昂贵的阴极选项相当，甚至更好。例如，它的操作电压高于流行的LiFePO4（磷酸铁锂，或LFP）阴极，这与电池在连接到设备时的电输出有关，就像水压通过花园软管流动一样。
这种技术可能在未来五年内商业化应用于电动汽车。目前，团队将继续探索FeCl3和类似材料，正如陈所说的那样。研究由陈和博士后研究员刘占涛（研究的主要作者）领导，得到了乔治亚理工学院伍德拉夫学院（朱婷）和地球与大气科学学院（唐元志）同事的合作，以及来自橡树岭国家实验室（刘玮）和休斯顿大学（陈硕）的研究人员的协作。
“我们的目标是在实验室中完善材料，理解其中的基本机制，”陈详细说明。“我们对扩展技术和推动商业应用的机会持开放态度。”
