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韩国能源研究所开发出氧化还原活性金属有机框架可使锂电池负极在低温下保持稳定性能

盖世汽车钟群 2024-08-26 18:20:00

盖世汽车讯据外媒报道，韩国能源研究所（KIER）开发出用于锂电池的氧化还原活性金属有机混合电极材料（SKIER-5），可在低至零下20摄氏度的寒冷条件下保持稳定。SKIER-5解决了石墨作为传统锂电池负极材料在严寒条件下的局限性，有望成为一种更优越的替代材料。即使在低温条件下，这种新型材料也可用于电动汽车、无人机和超小型电子设备等各种应用的锂电池。

图片来源：KIER

目前，石墨因其热力学稳定性和低成本而成为锂离子电池负极的常规材料。然而，使用石墨负极的电池有明显的缺点：在零度以下的条件下，其存储容量会急剧下降，且充电过程中负极表面会形成树枝状晶体，而这可能会导致热失控和潜在的爆炸。

由KIER的Jungjoon Yoo博士、Kanghoon Yim博士和Hyunuk Kim博士领导的研究团队开发出名为“SKIER-5”的氧化还原活性导电金属有机框架。该框架由三蒽基有机配体和镍离子组装而成。SKIER-5在零下环境中的放电容量是石墨的5倍。

SKIER-5负极的放电容量达到440mAh/g，超过了室温下石墨电极的375mAh/g。值得注意的是，经过1600次充放电循环后，容量增加了约1.5倍（600mAh/g）。这是一个非同寻常的结果，因为放电容量通常会随着反复充放电循环而降低。

该研究团队在浦项加速器实验室（Pohang Accelerator Laboratory）使用高通量X射线分析证实了SKIER-5的氧化还原机制。与石墨不同，SKIER-5包含镍离子和基于杂原子（N，F，S）的有机配体，可与锂离子相互作用，引发涉及电子转移的氧化还原反应。这一过程可增加电子存储量，从而提高放电容量。

值得注意的是，SKIER-5在零下20摄氏度时的放电容量达到150mAh/g，是石墨的5倍。这种性能的提高归因于SKIER-5引发化学反应的最低能量阈值更低（与石墨相比）。因此，SKIER-5在反应速率通常会降低的低温环境中仍能保持稳定的性能。

研究人员利用基于量子化学的第一性原理计算成功验证了SKIER-5的工作原理。该研究团队首先确定了SKIER-5的晶体结构，这与X射线结构分析结果一致，并通过计算预测了锂吸附位点，以推算材料的理论容量和反应电压。计算得到的预测值与实验结果非常吻合，证实了SKIER-5作为锂电池负极的优异性能的来源。