环保型无钴电池如何推动绿色能源的发展？

摘要： 　　高容量且可靠的可充电电池是众多设备乃至交通工具的重要组成部分，它们在向绿色未来转型中扮演着关键角色。其生产过程中涉及多种元素，其中钴的生产引发了一系列环境、经济和社会问题。一个...

　　高容量且可靠的可充电电池是众多设备乃至交通工具的重要组成部分，它们在向绿色未来转型中扮演着关键角色。其生产过程中涉及多种元素，其中钴的生产引发了一系列环境、经济和社会问题。一个包括东京大学研究人员在内的团队首次提出了一种可行的钴替代方案，在某些方面甚至超越了现有的电池化学。这种新材料能够在大量充电循环中保持稳定，其基础理论也可应用于其他领域。

　　很可能你正在使用笔记本电脑或智能手机阅读这篇文章，如果不是，你至少拥有其中一款设备。在这些设备及其他许多电子产品中，锂离子电池（LIB）是常见的电源选择。几十年来，LIB一直是便携式和移动电子设备的标准供电方式。随着全球向可再生能源转型，它们被视为电动汽车和家庭太阳能电池的重要组成部分。然而，锂离子电池的正极和负极之间的关系也同样重要。

　　一方面，尽管它们是一些功率密度最高的便携电源，但许多人希望LIB能够实现更高的能量密度，以便延长使用时间或为更高要求的设备供电。此外，虽然它们可以承受大量充电周期，但随着时间推移，电池的性能会逐渐下降。如果电池能够承受更多的充电周期并更持久地保持其容量，那将对所有人都有利。然而，当前LIB最令人担忧的问题之一是其构成元素之一。

　　钴在锂离子电池的关键部分——电极中被广泛使用。所有电池的工作原理相似：两个电极，一个正极和一个负极，当连接到外部电路时，促进锂离子在电解质中流动。然而，钴是一种稀有元素，目前只有一个主要来源：位于刚果民主共和国的一系列矿山。多年来，关于这些矿山的环境影响和劳动条件（包括童工使用）的问题屡见不鲜。从供应链的角度来看，由于该地区的政治和经济不稳定，钴的来源也面临挑战。

　　化学系统工程系的山田敦夫教授表示：“为了改进锂离子电池，我们希望从使用钴转向其他材料，这背后有很多原因。对我们而言，这是一个技术挑战，但其影响可能涉及环境、经济、社会和技术多个方面。我们很高兴地报告，通过在电极中使用一种新的元素组合，包括锂、镍、锰、硅和氧，我们找到了钴的新替代品，这些元素在生产和使用中更为常见，相关问题也更少。”

　　山田和他的团队开发的新电极和电解质不仅不含钴，而且在某些方面实际上改善了现有电池的化学特性。新型锂电池的能量密度提高了约60%，这意味着更长的使用寿命，能够提供4.4伏的电压，而传统锂电池仅能提供3.2-3.7伏的电压。但最令人惊讶的技术成就之一是充电特性的改善。使用新化学物质的测试电池能够在1000次循环中完全充放电（相当于3年的完整使用和充电），同时仅损失约20%的存储容量。

　　“到目前为止，我们对结果感到满意，但取得这样的成就并非没有挑战。在早期版本的新电池化学物质中，抑制各种不良反应是一场斗争，这些反应可能会显著缩短电池的使用寿命，”山田说。“我们还有很多工作要做，因为为了进一步提高安全性和寿命，还有一些难以消除的轻微反应需要解决。目前，我们相信这项研究将为许多应用带来改进的电池，但一些需要极高耐用性和寿命的应用可能尚未满足。”

　　尽管山田和他的团队正在探索锂离子电池的应用，但他们最近发展的基础概念也可以应用于其他电化学过程和设备，包括其他类型的电池、水分解（产生氢和氧）、矿石冶炼、电镀等。