目前的三元電池所含有的鈷是一種昂貴的且環(huán)境和社會成本都很高的金屬。麻省理工學(xué)院的新聞網(wǎng)站稱，該學(xué)院的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種基于有機(jī)材料的陰極電池材料，以更具有可持續(xù)的方式為電動汽車提供動力。新的鋰離子電池采用基于有機(jī)材料的陰極，不含鈷或鎳。
這種非鈷非鎳的有機(jī)材料生產(chǎn)成本比含鈷電池低得多，而導(dǎo)電速率與鈷電池類似，還可以比鈷電池更快地充電。
麻省理工學(xué)院 W.M. Keck 能源教授 Mircea Dinc? 說，這種材料工藝已經(jīng)可以與現(xiàn)有的技術(shù)競爭，能節(jié)省大量成本，并減少開采鎳鈷金屬相關(guān)的環(huán)境問題。
Dinc?是該研究項(xiàng)目的資深作者，這項(xiàng)研究*近被發(fā)表在ACS Central Science雜志上。23級博士生Tianyang Chen 和前麻省理工學(xué)院博士后 Harish Banda 是該論文的主要作者。其他作者包括麻省理工學(xué)院博士后Jiande Wang，麻省理工學(xué)院研究生Julius Oppenheim，以及博洛尼亞大學(xué)研究員亞歷山德羅·弗朗西斯基(Alessandro Franceschi)。
鈷的替代品
目前大多數(shù)三元鋰離子電池的陰極含有鈷，鈷是一種具有高穩(wěn)定性和高能量密度的金屬。然而，鈷有很大的缺點(diǎn)。作為一種稀有金屬，其價(jià)格波動幅度很大，而且世界上大部分鈷礦床都位于政治不穩(wěn)定的國家。鈷的提取會造成危險(xiǎn)的工作條件，并產(chǎn)生有毒廢物，污染礦山周圍的土地、空氣和水。
麻省理工學(xué)院 W.M. Keck 能源教授 Mircea Dinc? 說，鈷電池可以儲存大量能量，可以顯著提升電池性能，但這種材料無法廣泛使用，成本高，價(jià)格波動大，相應(yīng)的，鈷電池會推高電動汽車價(jià)格，不利于電動汽車的推廣。由于鈷的這些缺點(diǎn)，磷酸鐵鋰作為替代品，成為更普及的陰極材料，但磷酸鐵鋰電池的能量密度只有三元電池的一半左右。
有機(jī)材料成為另外一種選擇。但到目前為止，市場上采用的有機(jī)材料大多數(shù)都無法與鈷電池的電導(dǎo)率、存儲容量和壽命相匹配。由于導(dǎo)電性低，此類材料通常需要與聚合物等粘結(jié)劑混合以便保持導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。粘結(jié)劑至少占總材料的 50%，這降低了電池的存儲容量。
大約六年前，Dinc?的實(shí)驗(yàn)室開始開展一個由蘭博基尼資助的項(xiàng)目，開發(fā)一種可用于為電動汽車提供動力的有機(jī)電池。在研究部分有機(jī)和部分無機(jī)的多孔材料時(shí)，Dinc?和他的學(xué)生意識到，他們制造的完全有機(jī)材料似乎是一種強(qiáng)導(dǎo)體。
這種材料由多層TAQ (雙四氨基苯醌-bis-tetraaminobenzoquinone) 組成，TAQ (雙四氨基苯醌) 是一種有機(jī)小分子，包含三個稠合的六方環(huán)。這些層可以向各個方向向外延伸，形成類似于石墨的結(jié)構(gòu)。分子內(nèi)有稱為醌(quinone) 的化學(xué)基團(tuán)，它們是電子儲存庫，胺 (amines) 有助于材料形成強(qiáng)氫鍵。
這些氫鍵使材料高度穩(wěn)定且非常不溶。這種不溶性很重要，因?yàn)樗梢苑乐共牧舷衲承┯袡C(jī)電池材料那樣溶解到電池電解液中，從而延長其使用壽命。
“有機(jī)材料如果溶解到電解液種并進(jìn)入到電極的另一側(cè)，就會發(fā)生短路。如果使用的有機(jī)材料完全不溶于電解液，就可以避免短路。我們進(jìn)行了超過2000次充電循環(huán)，這種材料的溶解*小，“Dinc?說。
性能強(qiáng)勁
對這種材料的測試表明，其電導(dǎo)率和存儲容量與傳統(tǒng)的含鈷電池相當(dāng)。此外，帶有TAQ陰極的電池可以比現(xiàn)有電池更快地充電和放電，這可以加快電動汽車的充電速度。
為了穩(wěn)定有機(jī)材料并增加其在電池集流體(銅箔/鋁箔)上的粘附能力，研究人員添加了纖維素和橡膠等填充材料。這些材料占整個陰極復(fù)合材料的不到十分之一，因此不會顯著降低電池的存儲容量。
這些填充材料還可以防止電池陰極在電池充電鋰離子進(jìn)入時(shí)發(fā)生破裂，從而延長電池陰極的使用壽命。
制造這種陰極所需的主要材料是醌前驅(qū)體(quinone precursor)和胺前驅(qū)體(amine precursor)，這些材料都已經(jīng)商業(yè)化，已經(jīng)成為大宗化學(xué)品。研究人員估計(jì)，制造這類有機(jī)電池的材料成本可能只是鈷電池成本的三分之一到二分之一。
蘭博基尼已獲得該技術(shù)的專利許可。Dinc?的實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃繼續(xù)開發(fā)替代電池材料，并正在探索用鈉或鎂替代鋰的可能性，因?yàn)殁c或鎂比鋰更便宜、更豐富。
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