该研发用磷酸铁锂（LFP）替代了钴，LFP是一种更安全、更便宜且更可持续的材料。
加州理工学院Julia R. Greer实验室的研究人员开发了一种制造三维架构化电池阴极的新方法，旨在提高安全性、减少对环境的影响并提升未来电池的性能。
这种新型阴极用嵌入碳基质的磷酸铁锂（LFP）取代了有毒、昂贵且开采方式不道德的钴。LFP安全性高得多，过充时更不容易起火或短路。
单靠LFP本身算不上神奇材料，它通常存在性能迟缓的问题。但通过重新构思电池的内部架构，该团队找到了突破口。
“我们开发了一种多用途的方法，用更安全的材料来制造三维架构化电池电极，”Greer实验室的研究生Yingjin Wang说。
“将通常简称为LFP的磷酸铁锂与碳基质结合，我们摒弃了危险的钴，同时提高了电池的机械韧性，”第一作者补充道。
三维架构化阴极
锂离子电池是现代移动设备、电动汽车和可再生能源电网的主要电源。
这类电池由五个核心部分组成：阳极（负极）、阴极（正极）、用来传输离子的液态电解质、防止短路的隔膜以及收集电流的集流体。
尽管标准设计在商业上至关重要，却一直伴随着安全风险和性能局限。为了解决这些缺陷，一项新进展对电池设计进行了重新构想，为更安全、更环保且能提升性能的储能方式铺平了道路。
传统锂离子电池依赖扁平的二维（“平面”）电极，而在这项新工作中，团队通过3D打印引入了一种三维架构化阴极。
不仅如此，从平面设计转向三维架构化电池，还将化学能转化为电能的活性表面积最大化。
“我们认为这很有优势，因为你可以把固态扩散距离和液态扩散距离解耦。电解质是液态的，当它流过这个像迷宫一样的结构时，处处都有可用的固体表面，”Greer解释道。
此外，这种设计降低了曲折度，缩短了离子在阴极和隔膜之间必须走过的物理路径，从而提高了电池的功率密度，使其能更快地释放所储存的能量。
更安全的替代方案
当前锂离子电池的一个主要缺点是其阴极依赖钴。钴供应链因全球偏远地区不道德的开采行为而饱受诟病，且该材料本身因过充时容易起火或短路而构成显著的安全隐患。
相比之下，磷酸铁锂是安全得多的替代品。其固有的稳定化学特性使它极不容易出现危险的热问题或短路。
“LFP本身并不是新材料，但利用这种增材制造或3D打印方法来制造不含钴的架构化电极，则是一件新鲜事，”Greer说。
研究人员的下一个重要里程碑是设计一种互补的三维架构化LFP阳极，从而打造出一个兼具高能量密度和高功率密度的全三维架构化电池。
考虑到研究仍处于早期阶段，且涉及复杂的制造参数，实现这一目标将是一项高度复杂的制造挑战。最终，该团队的目标是集成聚合物基电解质，实现真正的固态电池。
这项研究发表在《ACS Energy Letters》期刊上。
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