【先導智能】前沿丨中美科學家研發有機聚合物制高性能電極 可用於低成本/環保鈉離子電池

2021-02-25 電池中國

據外媒報導，下一代電池中的鋰離子可能會被更豐富、更環保的鹼金屬或多價離子所取代。不過，最主要的挑戰是要研發穩定的電極，能夠將高能量密度和快速的充放電速率相結合。最近，中國和美國的科學家就研發了一種由有機聚合物製成的高性能電極，可用於低成本、環保且耐用的鈉離子電池。

目前，鋰離子電池是最先進的技術，可用於可攜式設備、儲能系統和電動汽車，而且鋰離子電池技術在今年榮獲諾貝爾獎。不過，下一代電池有望使用更便宜、更安全、更環保的材料，實現更高的能量密度和容量。目前，研發得最多的電池種類都基本採用了與鋰電池相同的充放電技術，不過通常鋰離子都被鈉、鎂和鋁等廉價的金屬離子所取代。然而，這種替代也使得需要對電極材料做出重大調整。

有機化合物是很好的電極材料，首先，不含有害和昂貴的重金屬；其次，可以用於不同的用途。不過，缺點是會溶解在液體電解質中，導致電極不穩定。

美國馬裡蘭大學（niversity of Maryland）的Chunsheng Wang及其團隊與國際科學團隊合作，推出了一種有機聚合物，能夠成為高容量、快速放電且不易溶解的電池陰極材料。根據該項研究，在鈉離子電池中，該種聚合物在容量傳遞和容量保留方面優於目前的聚合物和無機陰極，而在多價鎂離子和鋁離子電池中，此種表現也沒有落後太多。

科學家們發現六氮雜三萘（HATN）是一種非常合適的陰極材料，而且已經在鋰電池和超級電容器中對此種化合物進行了測試，證明其能夠成為一種高能量密度的陰極，快速插入鋰離子中。但是，與大多數有機材料一樣，HATN會在電解液中溶解，導致在充放電循環過程中，陰極不穩定。科學家們解釋說，現在的關鍵是通過讓單個分子之間聯繫，穩定材料的結構，結果得到了一種稱為聚合HATN或PHATN的有機聚合物，能夠讓鈉、鋁和鎂離子具備快速的反應動力和高容量。

在組裝好電池後，科學家們採用高濃度電解液測試了PHATN陰極，並發現非鋰離子具有優異的電化學性能。該鈉電池可以在高達3.5V的高壓下工作，即使經過5萬次循環，其容量仍可維持在每克100毫安時以上。

研究人員認為此類聚合對二氮雜苯陰極（對二氮雜苯是一種基於HATN的有機物，是一種芳香烴類富氮有機物質，含有果味），可實現環保、高能量密度、充放電快速且超穩定的下一代可充電電池。

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    該研究提出了一種簡單的預測鈉離子層狀氧化物構型的方法，並在實驗上證實了該方法的有效性，為低成本、高性能鈉離子電池層狀氧化物正極材料的設計和製備提供了理論指導。據悉，這是《Science》創刊百餘年來首次刊登鈉離子電池領域相關文章，不僅表明了國際主流科學界對該技術突破的重視，也佐證了我國鈉離子電池前沿技術已比肩國際最頂尖水平。
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    Claude Delmas等提出了一種簡單的預測鈉離子層狀氧化物構型的方法，並在實驗上證實了該方法的有效性，為低成本、高性能鈉離子電池層狀氧化物正極材料的設計製備提供了理論指導。其中，鋰離子電池雖然已成為佔據全球電化學儲能規模市場80%份額的「絕對一哥」，但由於其資源的稀缺性和較高昂成本，產業發展面臨「天花板」，而資源儲量豐富、成本低廉的鈉離子電池，便成為了極佳的補充。然而，鈉離子電池的性能卻受到可用電極材料的限制，尤其是以層狀氧化物材料為主的正極材料的限制。
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