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超越LFP!新型有機材料容量媲美“鈷電池” 充電還更快

作者:數(shù)字儲能網(wǎng)新聞中心 來源:科創(chuàng)板日報 發(fā)布時間:2024-01-23 瀏覽:

中國儲能網(wǎng)訊:許多電動汽車都是由含有鈷的電池驅(qū)動的,這種金屬會帶來高昂的財務、環(huán)境和社會成本。

  有鑒于此,麻省理工學院(MIT)的研究人員現(xiàn)在設計了一種電池材料,可以為電動汽車提供更可持續(xù)的動力。新的鋰離子電池將包括一個基于有機材料的陰極,而不是鈷或鎳。

  在一項新的研究中,研究人員表明,這種材料的生產(chǎn)成本比含鈷電池低得多,而且可以以與鈷電池相似的速率導電。研究人員報告說,這種新電池也具有相當?shù)拇鎯θ萘?,并且可以比鈷電池更快地充電?

  “我認為這種材料可能會產(chǎn)生很大的影響,因為它的效果非常好,”該研究論文資深作者、麻省理工學院教授Mircea Dincǎ說:“與現(xiàn)有技術相比,它已經(jīng)具有競爭力,而且它可以節(jié)省大量成本、痛苦和與開采目前用于電池的金屬相關的環(huán)境問題。”

  眾所周知,大多數(shù)電動汽車都是由鋰離子電池驅(qū)動的,鋰離子從正極(陰極)流向負極(陽極)時,鋰離子就會被充電。在大多數(shù)鋰離子電池中,陰極含有鈷,這種金屬具有很高的穩(wěn)定性和能量密度。

  然而,鈷有明顯的缺點。作為一種稀缺金屬,鈷的價格可能會大幅波動,而世界上大部分鈷礦床都位于政治不穩(wěn)定的國家。鈷的開采創(chuàng)造了危險的工作條件,并產(chǎn)生有毒廢物,污染了礦山周圍的土地、空氣和水。

  也正因為如此,大量的研究都在試圖開發(fā)替代電池材料。其中一種材料是磷酸鐵鋰(LFP),一些汽車制造商開始在電動汽車中使用這種材料。雖然LFP在實際應用中確實很有用,但它的能量密度只有鈷電池和鎳電池的一半左右。

有機材料

  另一個吸引人的選擇是有機材料,但到目前為止,大多數(shù)有機材料都無法與含鈷電池的導電性、存儲容量和壽命相匹配。由于它們的導電性低,這些材料通常需要與聚合物等粘合劑混合,以幫助它們保持導電網(wǎng)絡。這些粘合劑至少占總材料的50%,降低了電池的存儲容量。

  大約六年前,Dincǎ的實驗室在蘭博基尼的資助下開始研究一個項目,開發(fā)一種可用于為電動汽車提供動力的有機電池。在研究部分有機和部分無機的多孔材料時,Dincǎ和他的學生意識到,他們制造的一種完全有機的材料似乎可能是一種強導體。

  這種材料由多層TAQ(雙四氨基苯醌)組成,TAQ是一種有機小分子,包含三個融合的六邊形環(huán)。這些層可以向各個方向向外延伸,形成類似石墨的結構。在分子中有被稱為醌的化學基團,它們是電子儲存庫,還有胺,它們幫助材料形成強氫鍵。

  這些氫鍵使這種材料非常穩(wěn)定,溶解性極差。這種不溶解性很重要,因為它可以防止材料像某些有機電池材料那樣溶解到電池電解質(zhì)中,從而延長其使用壽命。

  “有機材料降解的主要方法之一就是,將它們簡單地溶解在電池電解質(zhì)中,并‘穿越’到電池的另一邊,本質(zhì)上造成短路。如果你讓材料完全不溶,這個過程就不會發(fā)生,所以我們可以在最小的退化情況下進行2000多次充電循環(huán)?!彼麄冋f。

強大的性能

  對這種材料的測試表明,它的導電性和存儲容量與傳統(tǒng)的含鈷電池相當。此外,具有TAQ陰極的電池可以比現(xiàn)有電池更快地充電和放電,這可能會加快電動汽車的充電速度。

  為了穩(wěn)定有機材料,并增加其粘附在電池的電流收集器(由銅或鋁制成)上的能力,研究人員添加了纖維素和橡膠等填充材料。這些填充物占陰極復合材料的比重不到十分之一,所以它們不會顯著降低電池的存儲容量。

  當鋰離子在電池充電時流入陰極時,這些填料還可以防止陰極破裂,從而延長電池的使用壽命。

  據(jù)悉,制造這種陰極所需的主要材料是醌前體和胺前體,它們已經(jīng)作為商業(yè)化學品大量生產(chǎn)。研究人員估計,組裝這些有機電池的材料成本可能是鈷電池成本的三分之一到一半。

  未來,他們計劃繼續(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,鈉或鎂比鋰更便宜,儲量也更豐富。


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關鍵字:鋰離子電池

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