锰是一种丰富且廉价的资源。一种新技术可能将其作为锂电池中镍和钴的可行替代品。可充电锂离子电池在智能手机、笔记本电脑、电动车和能源存储系统等多种应用中越来越受到欢迎。然而，镍和钴的可获得性是有限的，这两种金属通常出现在这些电池的阴极中。由美国能源部下属的洛伦斯伯克利国家实验室主导的最新研究表明，锰——地壳中第五丰富的金属——可以作为一种可行的低成本且安全的替代品。
研究人员已经证明，锰能够有效地整合到被称为无序岩盐（DRX）的新型阴极材料中。先前的研究指出，为了实现最佳性能，DRX材料需要经过繁琐的加工过程被细磨成纳米级颗粒。然而，最新的研究结果表明，基于锰的阴极在使用更大颗粒（大约比之前认为的要大1000倍）时表现也相当出色。这项研究于9月19日发表在《自然纳米技术》期刊上。
“可再生能源的产生方式有很多，但关键是如何存储这些能源，”加州大学伯克利分校博士生、伯克利实验室Ceder小组的电池技术研究员Hau Han-Ming解释道。“通过实施我们创新的方法，我们可以利用一种丰富且经济的材料，与一些目前的锂离子电池阴极材料相比，所需的生产能量和时间更少。此外，它还能高效地存储能量，性能也同样出色。”
该团队采用了一种创新的两天程序，首先从阴极材料中提取锂离子，然后在低温下（约200摄氏度）加热。这与基于锰的DRX材料的传统工艺形成了显著对比，后者通常需要超过三周的时间。
研究人员使用先进的电子显微镜，在操作过程中捕捉到锰基材料的详细原子级图像。他们发现，这一新过程使材料发展出纳米级半有序结构，这显著提升了电池性能，通过实现密集的能量存储和传递。
此外，团队还使用多种X射线技术研究电池循环如何在更大尺度上引发锰和氧的化学变化。通过分析不同尺度下锰材料的行为，研究人员为生产基于锰的阴极开辟了新的途径，并对未来电池材料的纳米工程获得了洞察。
“我们现在对材料独特的纳米结构有了更清晰的理解，”Hau说道。“我们还拥有一种合成方法，可以在材料中引发’相变’，从而增强其电化学性能。这是一个关键的进展，使这种材料更接近于实际电池应用。”
这项研究利用了由美国能源部科学办公室支持的三个用户设施的资源：伯克利实验室的先进光源和分子工厂（国家电子显微镜中心）、布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射光源II。其资助来源于能源效率和可再生能源办公室以及能源部的科学办公室。
