又是一個快要聽膩了的電池技術突破，不過這次有些不同，因為使用的材料是電池老朋友「錳」，通過納米結構設計，就能夠讓能量密度超越鎳鈷錳三元鋰電池，似乎大有可為。
比起這兩年常見的新材料電池像是鈉離子電池、空氣電池或是各種創新材料，橫濱大學研究室發布的這款「鋰錳電池」不僅熟悉甚至經常見，你家的抽屜里可能就有鋰錳電池，或許是黑白配色的四號電池，也可能是鈕扣型電池，都是鋰錳電池，夠親民了吧？嚴格來說，這項新技術並不是真的「鋰錳電池」，而是「錳基材料鋰離子電池」，差別也很明顯，傳統鋰錳電池都是拋棄式的乾電池，不像鋰離子電池可以反覆充放電。
這就順便可以解答許多人的疑問，家中常見的這種乾電池明明不貴，為什麼電動汽車電池會這麼昂貴？關鍵就在於電池充放電時產生的氧化還原反應，在這個過程中，錳會因為相位變化而逐漸溶解，電壓也會不斷衰退，所以必須加入鎳、鈷等元素，讓元素更穩定，也提升能量密度，代價則是鎳和鈷都相對高價，特斯拉最具代表性的鎳鈷錳三元鋰電池，就是因此而昂貴。
橫濱國立大學固態能量研究室主任教授藪內直明（Naoaki Yabuuchi），本周在ACS Central Science期刊上發布的最新研究，就是以二氧化錳（LiMnO₂）為鋰離子電池正極材料，取代鎳和鈷，並完成每公斤820 Wh能量密度的新技術，不僅高過LFP電池的500 Wh，甚至也比鎳基電池的750 Wh更高。
鋰錳電池技術突破的關鍵在於晶體排列，前面提到錳會在電池循環過程中溶解，使得電池電壓逐漸衰退，研究團隊發現，在化學循環的相位轉變過程中，如果能讓LiMnO₂ 形成尖晶石相態，就能減少錳流失和電壓衰退，並完成較高的可逆容量。解決之道，是通過熱處理讓岩鹽結構的LiMnO₂ 結晶成獨特的單層納米結構，再經過機械磨粉後，得到這些LiMnO₂ 的尺寸大約是50～150 nm，以此作為正極材料就能穩定形成3～5 nm大小的尖晶體，在完全不使用鎳和鈷的情況下，完成每公斤820 Wh的能量密度。
納米結構排列下的二氧化錳鋰可以完成穩定電壓，並且維持良好的可逆電容量。
在現階段實驗中，電壓並沒有衰退，是一個巨大的成功。不過在實驗中依然觀測到錳溶解，以及電容量隨著充放電循環下降的問題，研究團隊也指出，針對這些問題，可以通過鋰磷酸鹽塗層，以及高濃度電解質改善。
錳基材料鋰電池相當具有吸引力，一方面是因為錳的供應鏈穩定存在，而且價格低廉，一方面它的製程比現有的鎳鈷錳簡化，即使能量密相同，光是能夠完成不使用鎳跟鈷這兩種貴重金屬原料，就充滿商業價值，何況它的能量密度甚至還更高。
值得一提的是，Toyota正在研究中的全固態電池，就是與藪內直明教授合作研發，橫濱國立大學對電池與電動汽車的各項研究成果，有不少也都成為商業化技術，究竟這款錳基材料鋰電池，能否成功量產進入商業化，我們拭目以待。
（圖片來源：ACS Central Science）
