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超越LFP!新型有机材料容量媲美“钴电池” 充电还更快

超越LFP!新型有机材料容量媲美“钴电池” 充电还更快

财联社1月19日讯(编辑 黄君芝)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。

超越LFP!新型有机材料容量媲美“钴电池” 充电还更快

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。

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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。

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