普林斯顿大学推出新方案 使用高性能钠离子阴极为锂离子电池替代铺平道路

盖世汽车讯 几十年来，科学家一直在寻找方法来应对人们对锂离子电池的依赖。这些传统的可充电电池为当今最普遍的消费电子产品提供动力——从笔记本电脑到手机再到电动汽车。但原料锂价格昂贵，而且通常通过脆弱的地缘政治网络采购。

据外媒报道，普林斯顿大学（Princeton University）的Dincă集团宣布推出新替代方案，依靠有机高能阴极材料来制造钠离子电池，从而提高了该技术通过安全、更便宜、更可持续的组件实现商业化的可能性。相关研究发表在期刊《Journal of the American Chemical Society》。

图片来源：期刊《Journal of the American Chemical Society》

虽然科学家在钠离子电池方面取得了一些进展，但障碍主要是由于其能量密度低：相对于其尺寸，它们的电池运行时间较短。与输出相关的高功率密度也是影响其性能的因素。同时实现高能量密度和高功率密度一直是替代电池面临的持续挑战。

但Dincă集团提出的阴极材料是一种名为双四氨基苯醌（TAQ）的层状有机固体，在能量密度和功率密度方面均优于传统的锂离子阴极，这是一种真正可扩展的技术。

该研究除了可用于电动汽车外，还有望用于数据中心、电网和商业规模的可再生能源系统等大规模储能应用。

“每个人都明白，电池等重要资源有限会带来诸多挑战，而锂在许多方面无疑属于‘有限’资源，”研究人员Mircea Dincă表示。“拥有这些材料的多元化投资组合总是更好的。钠几乎无处不在。对我们来说，寻找利用有机物和海水等真正丰富的资源制造的电池是我们最大的研究梦想之一。”

“能量密度是许多人关注的问题，因为你可以将它等同于电池中的电量。能量密度越高，汽车在充电前能跑得越远。我们非常肯定地回答说，我们开发的新材料具有最大的能量密度，当然是以每公斤为基础的，甚至以体积为基础，也可以与最好的材料相媲美。”Mircea Dincă补充说。

接近理论最大容量

一年前，实验室首次在《ACS Central Science》上报道了TAQ在制造锂离子电池中的实用性，强调了TAQ的优势。研究人员还在继续研究该材料的潜力，特别是当他们发现TAQ完全不溶且导电性（有机阴极材料的两个关键技术优势）高时。阴极是所有极化设备的重要组成部分。

因此，他们尝试使用相同的材料TAQ构建有机钠离子电池。这个过程花了大约一年的时间，因为研究人员必须采用一些无法从锂离子技术移植过来的设计原则。

最终，结果超出预期，其阴极性能接近被称为理论最大容量的基准。

“我们选择的粘合剂碳纳米管有助于TAQ晶体和炭黑颗粒的混合，从而形成均匀的电极，”Dincă集团博士、论文第一作者Tianyang Chen说道。“碳纳米管紧密包裹TAQ晶体并将它们连接起来。这两个因素都促进了电极体内的电子传输，使活性材料利用率几乎达到100%，从而几乎实现了理论上的最大容量。”

“使用碳纳米管可显著提高电池的倍率性能，这意味着电池可以在更短的充电时间内存储相同数量的能量，或者可以在相同的充电时间内存储更多能量。”

Chen表示，TAQ作为阴极材料的优势还包括其对空气和湿气的稳定性、长寿命、耐高温能力以及环境可持续性。