超越LFP！新型有机材料容量媲美“钴电池” 充电还更快

来源: 财联社

许多电动汽车都是由含有钴的电池驱动的，这种金属会带来高昂的财务、环境和社会成本。

有鉴于此，麻省理工学院（MIT）的研究人员现在设计了一种电池材料，可以为电动汽车提供更可持续的动力。新的锂离子电池将包括一个基于有机材料的阴极，而不是钴或镍。

在一项新的研究中，研究人员表明，这种材料的生产成本比含钴电池低得多，而且可以以与钴电池相似的速率导电。研究人员报告说，这种新电池也具有相当的存储容量，并且可以比钴电池更快地充电。

“我认为这种材料可能会产生很大的影响，因为它的效果非常好，”该研究论文资深作者、麻省理工学院教授Mircea Dincǎ说：“与现有技术相比，它已经具有竞争力，而且它可以节省大量成本、痛苦和与开采目前用于电池的金属相关的环境问题。”

众所周知，大多数电动汽车都是由锂离子电池驱动的，锂离子从正极（阴极）流向负极（阳极）时，锂离子就会被充电。在大多数锂离子电池中，阴极含有钴，这种金属具有很高的稳定性和能量密度。

然而，钴有明显的缺点。作为一种稀缺金属，钴的价格可能会大幅波动，而世界上大部分钴矿床都位于政治不稳定的国家。钴的开采创造了危险的工作条件，并产生有毒废物，污染了矿山周围的土地、空气和水。

也正因为如此，大量的研究都在试图开发替代电池材料。其中一种材料是磷酸铁锂（LFP），一些汽车制造商开始在电动汽车中使用这种材料。虽然LFP在实际应用中确实很有用，但它的能量密度只有钴电池和镍电池的一半左右。

有机材料

另一个吸引人的选择是有机材料，但到目前为止，大多数有机材料都无法与含钴电池的导电性、存储容量和寿命相匹配。由于它们的导电性低，这些材料通常需要与聚合物等粘合剂混合，以帮助它们保持导电网络。这些粘合剂至少占总材料的50%，降低了电池的存储容量。

大约六年前，Dincǎ的实验室在兰博基尼的资助下开始研究一个项目，开发一种可用于为电动汽车提供动力的有机电池。在研究部分有机和部分无机的多孔材料时，Dincǎ和他的学生意识到，他们制造的一种完全有机的材料似乎可能是一种强导体。

这种材料由多层TAQ（双四氨基苯醌）组成，TAQ是一种有机小分子，包含三个融合的六边形环。这些层可以向各个方向向外延伸，形成类似石墨的结构。在分子中有被称为醌的化学基团，它们是电子储存库，还有胺，它们帮助材料形成强氢键。



这些氢键使这种材料非常稳定，溶解性极差。这种不溶解性很重要，因为它可以防止材料像某些有机电池材料那样溶解到电池电解质中，从而延长其使用寿命。

“有机材料降解的主要方法之一就是，将它们简单地溶解在电池电解质中，并‘穿越’到电池的另一边，本质上造成短路。如果你让材料完全不溶，这个过程就不会发生，所以我们可以在最小的退化情况下进行2000多次充电循环。”他们说。

强大的性能

对这种材料的测试表明，它的导电性和存储容量与传统的含钴电池相当。此外，具有TAQ阴极的电池可以比现有电池更快地充电和放电，这可能会加快电动汽车的充电速度。

为了稳定有机材料，并增加其粘附在电池的电流收集器（由铜或铝制成）上的能力，研究人员添加了纤维素和橡胶等填充材料。这些填充物占阴极复合材料的比重不到十分之一，所以它们不会显著降低电池的存储容量。

当锂离子在电池充电时流入阴极时，这些填料还可以防止阴极破裂，从而延长电池的使用寿命。

据悉，制造这种阴极所需的主要材料是醌前体和胺前体，它们已经作为商业化学品大量生产。研究人员估计，组装这些有机电池的材料成本可能是钴电池成本的三分之一到一半。

未来，他们计划继续开发替代电池材料，并正在探索用钠或镁替代锂的可能性，钠或镁比锂更便宜，储量也更丰富。