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研究人員研發(fā)合成聚合物電池正極材料 可用于快充電池
時間:2021-01-26 09:04來源:蓋世汽車 作者:劉麗婷
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據(jù)外媒報道，來自Skoltech大學、D. Mendeleev大學以及RAS化學物理問題研究所的俄羅斯研究人員合成了可用于鋰雙離子電池的新聚合物陰極材料，并對其進行了測試。測試結(jié)果表明，新陰極性能優(yōu)于鋰離子電池，不僅可循環(huán)25,000個充電周期，并可在幾秒鐘內(nèi)完成充電，可用于生產(chǎn)價格較低的鉀雙離子電池。
由于許多設(shè)備大多采用自動模式，因此全球電量消耗逐年遞增，對于能量存儲解決方案的需求也隨之增長。功率大、放電/充電率高以及單位質(zhì)量的存儲容量大，鋰離子電池成為電子產(chǎn)品、電力運輸和全球電網(wǎng)的主要存儲設(shè)備。例如，澳大利亞就正在啟動一系列大型鋰離子電池存儲項目，從而管理其豐富的太陽能和風能。
如果鋰離子電池的產(chǎn)量持續(xù)增長，那么世界鋰資源儲量將會枯竭。例如，剛果為生產(chǎn)鋰電池開發(fā)了當?shù)?0％的鈷，導致鈷的價格飆升。對于鋰資源而言，亦然。由于在開采鋰的過程中需要消耗大量的水資源，給生態(tài)環(huán)境也帶來了巨大挑戰(zhàn)。 因此，研究人員正在開發(fā)新的儲能設(shè)備，希望可使用容易開采且兼?zhèn)滗囯x子電池相同工作原理的金屬資源作為原材料
研究團隊采用后鋰雙離子技術(shù)，而該技術(shù)基于電解液陰離子和陽離子的電化學過程，與鋰離子電池相比，可大大提高充電速率。此外，其陰極原型采用聚合物芳香胺，該材料可由多種有機化合物合成。
Skoltech大學博士Filipp A. Obrezkov表示：“我們先前的研究重點是聚合物陰極，從而實現(xiàn)快充大容量電池在幾秒內(nèi)完成充電和放電，但我們并不滿足于此。我們還試驗了多種替代物，如線性聚合物，它的每個單體單元僅與兩個相鄰單元鍵合。而在這項研究中，我們使用的是新型支化聚合物，其每個單元均與至少三個其他單元鍵合，形成較大的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而加快電極過程動力學。通過使用這些材料制成的電極也展示出了更高的充電和放電速率。”
標準鋰離子電池的電解質(zhì)含有大量鋰原子，并通過隔板被分為正極和負極。在充電電池中，大多數(shù)鋰原子都結(jié)合在負極的晶體結(jié)構(gòu)中。隨著電池放電，鋰原子會通過隔板從負極移動到正極。研究團隊通過研究雙離子電池，發(fā)現(xiàn)電化學過程中的電解液的正離子（即鋰陽離子）和負離子可以分別進出陽極和陰極結(jié)構(gòu)。值得注意的是，科學家們在制作鉀雙離子電池實驗時，采用的是鉀電解質(zhì)而非昂貴的鋰電解質(zhì)。
該小組使用二苯胺（PDPAPZ）和吩噻嗪（PPTZPZ）合成兩種新型二氫吩嗪共聚物作為正極材料，并使用鋰金屬和鉀金屬作為負極。由于正極決定半電池原型的特點，因此科學家們將其進行組合，從而快速對新型陰極材料性能進行評估。
盡管PPTZPZ半電池性能平平，但PDPAPZ表現(xiàn)良好。由PDPAPZ制成的鋰半電池充電和放電速度非常快，25,000個充電周期后，仍表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性且容量保持在三分之一。也就是說，通常情況下，如果普通手機電池保持穩(wěn)定，即使每天充電和放電，也可使用70年。PDPAPZ鉀半電池能量密度高達398 Wh / kg，而普通鋰電池即使將負極和電解質(zhì)的重量計入其中，其能量密度也僅為200-250 Wh / kg。因此，俄羅斯研究小組表明，聚合物正極材料完全可用于制造高效的鋰和鉀雙離子電池。
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