麻省理工开发碳基阴极材料 有助于实现下一代有机无钴电池

盖世汽车讯 在向“绿色”能源转型的过程中，对可充电锂离子电池的需求迅速飙升。然而，这些电池的阴极中通常含有钴，提取这种金属会带来高昂的环境和社会成本。据外媒报道，麻省理工学院（MIT）的研究人员评估了一种地球储量丰富的碳基阴极材料。该材料可以替代钴等稀有且有毒的金属，而不会影响锂离子电池的性能，有助于以更可持续的方式为电动汽车提供动力。相关研究已发表于美国化学会期刊《ACS Central Science》。

（图片来源：ACS Central Science）

在这项研究中，研究人员发现，这种材料的生产成本比含钴电池材料低得多，并且能以与钴电池相似的速率导电。另外，新电池还具有与钴电池相当的存储容量，并且充电速度更快。

以前，研究人员利用更丰富、成本更低的含碳材料（包括有机硫和羰基化合物）来开发阴极。然而，从能量输出和稳定性方面来看，这些原型无法与传统的锂离子电池相媲美。因此，麻省理工学院（MIT）的Mircea Dincă教授及其同事想了解其他碳基阴极材料是否效果更好。大约六年前，Dincă的实验室开展一个由兰博基尼资助的项目，以开发可用于为电动汽车提供动力的有机电池。他们可能在双四氨基对苯醌（TAQ）中找到了有价值选项。TAQ分子可以形成层状固态结构，有望与传统钴基阴极的性能相抗衡。

（图片来源：麻省理工学院）

这种材料由多层TAQ（含有三个稠合六元环的有机小分子）组成。这些层体可以朝各个方向向外延伸，从而形成类似于石墨的结构。TAQ分子内包括称为醌的化学基团（电子储层）和胺（有助于材料形成强氢键）。这些氢键使材料高度稳定且非常难溶。这种不溶性具有重要意义，因为可以防止材料溶解到电池电解质中（像某些有机电池材料那样），从而延长其使用寿命。Dincă表示：“有机材料降解的主要方式之一是，它们会溶解到电池电解质中，并交叉接触电池另一侧，从而造成短路。如果能让材料完全不溶解，就不会发生这个过程。因此，我们可以进行2000多个充电周期，同时充分降低降解程度。”

在之前的工作中，该团队证明了TAQ作为超级电容器材料的有效性。他们此次在锂离子电池的阴极上测试了这种化合物。为了提高循环稳定性，并增加TAQ与阴极不锈钢集流器的附着力，研究人员在TAQ阴极中添加了含纤维素和橡胶的材料。这些填料占整个阴极复合材料的不到十分之一，因此不会明显降低电池的存储容量。当电池充电时锂离子流入阴极，这些填料还可以防止阴极破裂，从而延长其使用寿命。

概念验证演示表明，新型复合阴极可安全循环超过2000次，提供高于大多数钴基阴极的能量密度，并且能在短短六分钟内完成充放电过程。

制造这类阴极的主要材料是醌前体和胺前体，而这些材料已经实现商业化并作为商用化学品大量生产。研究人员估计，组装这些有机电池的材料成本，大约为钴电池成本的三分之一到二分之一。在投放市场之前，这种基于TAQ的阴极还需要进行额外测试。但研究人员认为，它们有利于实现高能量、持久耐用、快速充电的电池，从而促进全球加速向无钴、无镍的可再生能源未来过渡。

目前，兰博基尼（Lamborghini）已获得该技术的专利授权。Dincă实验室计划继续开发电池替代材料，并探索用钠或镁替代锂的可能性。相比之下，钠或镁比锂的成本更低，且储量更丰富。