下一代電池中的鋰離子可能會(huì)被更豐富、更環(huán)保的堿金屬或多價(jià)離子所取代。不過，最主要的挑戰(zhàn)是要研發(fā)穩(wěn)定的電極，能夠?qū)⒏吣芰棵芏群涂焖俚某浞烹娝俾氏嘟Y(jié)合。最近，中國和美國的科學(xué)家就研發(fā)了一種由有機(jī)聚合物制成的高性能電極，可用于低成本、環(huán)保且耐用的鈉離子電池。
目前，鋰離子電池是最先進(jìn)的技術(shù)，可用于便攜式設(shè)備、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車，而且鋰離子電池技術(shù)在今年榮獲諾貝爾獎(jiǎng)。不過，下一代電池有望使用更便宜、更安全、更環(huán)保的材料，實(shí)現(xiàn)更高的能量密度和容量。目前，研發(fā)得最多的電池種類都基本采用了與鋰電池相同的充放電技術(shù)，不過通常鋰離子都被鈉、鎂和鋁等廉價(jià)的金屬離子所取代。然而，這種替代也使得需要對(duì)電極材料做出重大調(diào)整。
有機(jī)化合物是很好的電極材料，首先，不含有害和昂貴的重金屬；其次，可以用于不同的用途。不過，缺點(diǎn)是會(huì)溶解在液體電解質(zhì)中，導(dǎo)致電極不穩(wěn)定。
美國馬里蘭大學(xué)(niversity of Maryland)的Chunsheng Wang及其團(tuán)隊(duì)與國際科學(xué)團(tuán)隊(duì)合作，推出了一種有機(jī)聚合物，能夠成為高容量、快速放電且不易溶解的電池陰極材料。根據(jù)該項(xiàng)研究，在鈉離子電池中，該種聚合物在容量傳遞和容量保留方面優(yōu)于目前的聚合物和無機(jī)陰極，而在多價(jià)鎂離子和鋁離子電池中，此種表現(xiàn)也沒有落后太多。
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)六氮雜三萘(HATN)是一種非常合適的陰極材料，而且已經(jīng)在鋰電池和超級(jí)電容器中對(duì)此種化合物進(jìn)行了測(cè)試，證明其能夠成為一種高能量密度的陰極，快速插入鋰離子中。但是，與大多數(shù)有機(jī)材料一樣，HATN會(huì)在電解液中溶解，導(dǎo)致在充放電循環(huán)過程中，陰極不穩(wěn)定?？茖W(xué)家們解釋說，現(xiàn)在的關(guān)鍵是通過讓單個(gè)分子之間聯(lián)系，穩(wěn)定材料的結(jié)構(gòu)，結(jié)果得到了一種稱為聚合HATN或PHATN的有機(jī)聚合物，能夠讓鈉、鋁和鎂離子具備快速的反應(yīng)動(dòng)力和高容量。
在組裝好電池后，科學(xué)家們采用高濃度電解液測(cè)試了PHATN陰極，并發(fā)現(xiàn)非鋰離子具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。該鈉電池可以在高達(dá)3.5V的高壓下工作，即使經(jīng)過5萬次循環(huán)，其容量仍可維持在每克100毫安時(shí)以上。
研究人員認(rèn)為此類聚合對(duì)二氮雜苯陰極(對(duì)二氮雜苯是一種基于HATN的有機(jī)物，是一種芳香烴類富氮有機(jī)物質(zhì)，含有果味)，可實(shí)現(xiàn)環(huán)保、高能量密度、充放電快速且超穩(wěn)定的下一代可充電電池。
