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鋰離子電池成為日常生..

鋰離子電池成為日常生活不可或缺的東西
2019-12-19

據外媒報道,俄羅斯斯科爾科沃科技學院(Skoltech)的研究人員與俄羅斯科學院化學物理研究所(Institute for Problems of Chemical Physics of RAS)以及烏拉爾聯邦大學(Ural Federal University)的研究人員合作,證實可以利用有機材料,無需使用鋰或其他稀有元素,制成高容量、高功率的電池。此外,研究人員還證明了該陰極材料具有極高的穩定性,制成的鉀電池充放電迅速且具有高能量密度。

現在,鋰離子電池成為日常生活不可或缺的東西,廣泛用于存儲能量,尤其是用于便攜式電子產品。由于電動汽車不斷得到發展,吸引了越來越多的投資,電池的需求也在激增。例如,沃爾沃計劃到2025年將電動汽車銷量占總銷量的比例提高至50%,而戴姆勒宣布將停止研發內燃機,重點轉向電動汽車。

不過,大量使用鋰離子電池會使生產鋰離子電池所需的資源面臨嚴重短缺。鈷、鎳和錳等過渡性金屬通常用于制造電池陰極,相當稀有、昂貴,而且有毒。有少數幾個國家在生產大多數不是很常見的鋰,但全球范圍內的鋰供應量太少,無法讓所有傳統汽車都被由鋰電池提供動力的電動汽車所取代。據德國能源經濟研究中心(FFE)估計,在未來幾十年內,鋰金屬短缺可能會變成一個嚴重的問題。最近,科學家們都提出建議,尋找鈉和鉀等其他替代品,此類金屬在化學特性上與鋰相似。

斯科爾科沃科技學院的研究人員在Pavel Troshin教授的帶領下,在研發基于有機陰極材料的鈉和鉀電池方面取得了很大的進展。

研究人員們在第一篇論文中提到一種含有六氮雜苯并菲(hexaazatriphenylene)碎片的聚合物。事實證明,該新材料同樣適用于鋰電池、鈉電池和鉀電池,充電時間為30至60秒,在經歷數千次的充放電循環后仍能夠保持儲能能力。該論文的第一作者兼Skoltech的博士生Roman Kapaev解釋道:“多功能性是有機材料的關鍵優勢之一,相對于反離子的特性,它們的氧化還原反應機制沒有那么明顯,因而更容易找到鋰離子電池的替代品。隨著鋰的價格不斷上漲,用更便宜的、永遠用不完的鈉或鉀來代替鋰是合理的。至于無機材料,情況會變得更加復雜?!?/p>

六氮雜苯并菲聚合物陰極的缺點是工作電位較低(相對于K+/K電位約為1.6V),導致儲能能力下降。因而,研究人們在第二篇論文中提到了另一種材料,一種基于二氫苯那津胺(dihydrophenazine)的聚合物,沒有工作電位較低的缺點,可以確保電池的平均工作電壓增加至3.6V。該論文的第一作者兼Skoltech的博士生Philipp Obrezkov解釋表示:“芳香族聚合物可制成優良的高壓有機陰極,用于金屬離子電池。在此次研究中,我們首次在鉀電池陰極中使用了多氮苯基5,10二氫苯那津胺。通過徹底優化電解質,達到了593 W×h/kg的比能,是目前所知的所有鉀離子電池陰極所達到的最高比能?!?/p>

金屬離子電池具有的主要問題之一是會生長金屬枝晶,尤其是配備金屬陽極的電池。金屬枝晶長到電池芯中會導致短路,通常還會引起火災甚至爆炸。為避免此種情況,可以采用合金代替純堿金屬,因為合金在電池工作溫度下是液態的,這也是2019年諾貝爾獎得主John B. Goodenough所提出的觀點。鉀鈉合金的熔點低,為零下12.7攝氏度,鈉含量約為22%。

在第三次研究中,科學家們在碳紙上使用了類似的鈉鉀合金,作為電池的陽極,而之前所研發的氧化還原活性聚合物作為陰極。據說,此類電池可以在10秒的時間內完成充放電。有趣的是,其中一種聚合物陰極使鉀電池達到了最高能量容量,而另一種陰極讓鉀電池具備極好的穩定性,在1萬次充放電循環后,只損失了11%的容量。此外,基于此兩種材料制成的電池都顯示了無與倫比的功率特性,接近100,000 W/kg,達到了超級電容器的功率水平。



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