據(jù)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(lián)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(wěn)定性，制成的鉀電池充放電迅速且具有高能量密度。
現(xiàn)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(chǎn)品。由于電動汽車不斷得到發(fā)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(fā)內(nèi)燃機，重點轉(zhuǎn)向電動汽車。
不過，大量使用鋰離子電池會使生產(chǎn)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(shù)幾個國家在生產(chǎn)大多數(shù)不是很常見的鋰，但全球范圍內(nèi)的鋰供應(yīng)量太少，無法讓所有傳統(tǒng)汽車都被由鋰電池提供動力的電動汽車所取代。據(jù)德國能源經(jīng)濟研究中心（FFE）估計，在未來幾十年內(nèi)，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(lǐng)下，在研發(fā)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(jīng)歷數(shù)千次的充放電循環(huán)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(guān)鍵優(yōu)勢之一，相對于反離子的特性，它們的氧化還原反應(yīng)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(fù)雜?！?
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(dǎo)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(yōu)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(yōu)化電解質(zhì)，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?！?
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(dǎo)致短路，通常還會引起火災(zāi)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(tài)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(fā)的氧化還原活性聚合物作為陰極。據(jù)說，此類電池可以在10秒的時間內(nèi)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(wěn)定性，在1萬次充放電循環(huán)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。（作者：余秋云）
