加州理工學院（Caltech）Julia R. Greer 的實驗室研究人員開發了一種新方法，以創建三維架構的電池正極。此設計旨在提升安全性、減少環境影響，並增強未來電池的性能。這種新型正極用鋰鐵磷酸鹽（LFP）取代了有毒、昂貴及不道德開採的鈷，並嵌入碳基體中。與鈷相比，LFP 更安全，並且在過充時不易著火或短路。儘管 LFP 本身並非奇蹟材料，通常表現較為遲鈍，但通過重新思考電池的內部結構，研究團隊發現了突破口。
Greer 實驗室的研究生 Wang Yingjin 表示：「我們開發了一種靈活的方法，能夠從更安全的材料製造三維架構的電池電極。」他補充道：「使用鋰鐵磷酸鹽（通常稱為 LFP）結合碳基體，我們消除了危險的鈷材料，同時提高了電池的機械韌性。」
新型三維架構電池正極提升安全性與性能
三維架構的正極鋰離子電池是現代移動設備、電動車輛和可再生電網的主要電源。這些電池由五個核心組件組成：陰極（負電極）、陽極（正電極）、用於傳輸離子的液體電解質、分隔器以防止短路，以及用於收集電力的電流收集器。儘管在商業上至關重要，標準設計仍存在持續的安全風險和性能限制。為瞭解決這些缺陷，新的發展重新構想了電池設計，為更安全、環保的能源儲存鋪平了道路，並提高了性能。
傳統鋰離子電池依賴平面、二維（“平面”）電極，而在這項新工作中，團隊引入了通過 3D 打印生產的三維架構正極。此外，從平面設計轉變為三維架構電池最大化了化學能轉換為電能的活躍表面積。
Greer 解釋道：「我們認為這是有利的，因為可以解耦固態與液態的擴散距離。電解質為液體，因此在這種像迷宮一樣的架構中流動時，隨處都有固體表面可供其接觸。」此外，該設計減少了曲折度，縮短了離子在正極與分隔器之間的實際路徑，從而提高了電池的功率密度，允許其更快釋放儲存的能量。
當前鋰離子電池的一個主要缺點是其對正極中鈷的依賴。鈷的供應鏈在全球偏遠地區存在不道德的開採行為，而該材料本身因其在過充時容易著火或短路而構成顯著的安全隱患。相比之下，鋰鐵磷酸鹽是一種更安全的替代品。其固有的穩定化學特性使其不太可能出現危險的熱問題或短路。Greer 表示：「LFP 本身並不是新材料，但使用這種增材製造或 3D 打印的方法來創建不含鈷的架構電極是一種新技術。」
研究人員下一個重要的里程碑是設計一個互補的 3D 架構 LFP 陰極，這將創建一個能源和功率密度均高的完全三維架構電池。鑑於研究的早期階段及複雜的製造參數，實現這一目標將是一項非常複雜的製造挑戰。
最終，團隊旨在整合一種基於聚合物的電解質，以實現真正的固態電池。該研究已發表在《ACS Energy Letters》期刊上。
項目 規格 電池正極材料 鋰鐵磷酸鹽（LFP） 結構類型 三維架構
