目前的三元電池所含有的鈷是一種昂貴的且環(huán)境和社會成本都很高的金屬。麻省理工學院的新聞網(wǎng)站稱，該學院的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)設計出一種基于有機材料的陰極電池材料，以更具有可持續(xù)的方式為電動汽車提供動力。新的鋰離子電池采用基于有機材料的陰極，不含鈷或鎳。
這種非鈷非鎳的有機材料生產(chǎn)成本比含鈷電池低得多，而導電速率與鈷電池類似，還可以比鈷電池更快地充電。
麻省理工學院 W.M. Keck 能源教授 Mircea Dinc? 說，這種材料工藝已經(jīng)可以與現(xiàn)有的技術競爭，能節(jié)省大量成本，并減少開采鎳鈷金屬相關的環(huán)境問題。
Dinc?是該研究項目的資深作者，這項研究*近被發(fā)表在ACS Central Science雜志上。23級博士生Tianyang Chen 和前麻省理工學院博士后 Harish Banda 是該論文的主要作者。其他作者包括麻省理工學院博士后Jiande Wang，麻省理工學院研究生Julius Oppenheim，以及博洛尼亞大學研究員亞歷山德羅·弗朗西斯基(Alessandro Franceschi)。
鈷的替代品
目前大多數(shù)三元鋰離子電池的陰極含有鈷，鈷是一種具有高穩(wěn)定性和高能量密度的金屬。然而，鈷有很大的缺點。作為一種稀有金屬，其價格波動幅度很大，而且世界上大部分鈷礦床都位于政治不穩(wěn)定的國家。鈷的提取會造成危險的工作條件，并產(chǎn)生有毒廢物，污染礦山周圍的土地、空氣和水。
麻省理工學院 W.M. Keck 能源教授 Mircea Dinc? 說，鈷電池可以儲存大量能量，可以顯著提升電池性能，但這種材料無法廣泛使用，成本高，價格波動大，相應的，鈷電池會推高電動汽車價格，不利于電動汽車的推廣。由于鈷的這些缺點，磷酸鐵鋰作為替代品，成為更普及的陰極材料，但磷酸鐵鋰電池的能量密度只有三元電池的一半左右。
有機材料成為另外一種選擇。但到目前為止，市場上采用的有機材料大多數(shù)都無法與鈷電池的電導率、存儲容量和壽命相匹配。由于導電性低，此類材料通常需要與聚合物等粘結劑混合以便保持導電網(wǎng)絡。粘結劑至少占總材料的 50%，這降低了電池的存儲容量。
大約六年前，Dinc?的實驗室開始開展一個由蘭博基尼資助的項目，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，Dinc?和他的學生意識到，他們制造的完全有機材料似乎是一種強導體。
這種材料由多層TAQ (雙四氨基苯醌-bis-tetraaminobenzoquinone) 組成，TAQ (雙四氨基苯醌) 是一種有機小分子，包含三個稠合的六方環(huán)。這些層可以向各個方向向外延伸，形成類似于石墨的結構。分子內(nèi)有稱為醌(quinone) 的化學基團，它們是電子儲存庫，胺 (amines) 有助于材料形成強氫鍵。
這些氫鍵使材料高度穩(wěn)定且非常不溶。這種不溶性很重要，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液中，從而延長其使用壽命。
“有機材料如果溶解到電解液種并進入到電極的另一側，就會發(fā)生短路。如果使用的有機材料完全不溶于電解液，就可以避免短路。我們進行了超過2000次充電循環(huán)，這種材料的溶解*小，“Dinc?說。
性能強勁
對這種材料的測試表明，其電導率和存儲容量與傳統(tǒng)的含鈷電池相當。此外，帶有TAQ陰極的電池可以比現(xiàn)有電池更快地充電和放電，這可以加快電動汽車的充電速度。
為了穩(wěn)定有機材料并增加其在電池集流體(銅箔/鋁箔)上的粘附能力，研究人員添加了纖維素和橡膠等填充材料。這些材料占整個陰極復合材料的不到十分之一，因此不會顯著降低電池的存儲容量。
這些填充材料還可以防止電池陰極在電池充電鋰離子進入時發(fā)生破裂，從而延長電池陰極的使用壽命。
制造這種陰極所需的主要材料是醌前驅體(quinone precursor)和胺前驅體(amine precursor)，這些材料都已經(jīng)商業(yè)化，已經(jīng)成為大宗化學品。研究人員估計，制造這類有機電池的材料成本可能只是鈷電池成本的三分之一到二分之一。
蘭博基尼已獲得該技術的專利許可。Dinc?的實驗室計劃繼續(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，因為鈉或鎂比鋰更便宜、更豐富。
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