俄罗斯科学家研发出新型聚合物材料 可实现电池

近几十年来,由于人口增长、工业化以及各种家用电器和电子设备的不断发展,特别是移动设备和电动汽车数量的不断增加,世界能源消耗量也显著增加。因此,迫切需要研发电化学储能技术和设备,使其能够存储足够的能量并能够根据需要迅速释放。尽管由无机层状氧化物和磷酸盐制成的锂离子电池在市场上占主导地位,但由于其是由容量有限的重元素所制成,因而进一步提升其性能非常具有挑战性。

而利用有机化合物做锂离子电池的阴极材料就可解决该问题。有机阴极具有能量密度高、充放电速度快、抗机械变形能力强等优点,此外,有机阴极还非常环保,因为有机材料只由丰富的自然元素组成,可从可再生资源中获得。此外,由于不含重金属,此类材料可像回收利用食品塑料等普通家庭垃圾一样被回收再利用。而且,使用有机阴极就可将电解质中昂贵的锂盐用更便宜的类似钠和钾的物品取代。

9月11日,据外媒报道,由俄罗斯斯科尔科沃科技学院Pavel Troshin教授领导的一组研究人员研究了配位聚合物,该种化合物几乎没有在金属离子电池中得到应用,但是研究人员展示了该聚合物具备高充放电率以及高稳定性,可用于未来的储能设备。

而利用有机化合物做锂离子电池的阴极材料就可解决该问题。有机阴极具有能量密度高、充放电速度快、抗机械变形能力强等优点,此外,有机阴极还非常环保,因为有机材料只由丰富的自然元素组成,可从可再生资源中获得。此外,由于不含重金属,此类材料可像回收利用食品塑料等普通家庭垃圾一样被回收再利用。而且,使用有机阴极就可将电解质中昂贵的锂盐用更便宜的类似钠和钾的物品取代。

因此,研究结果证实了有机化合物做超快金属离子电池阴极的巨大潜力。今后,该项目可能会研发出容量和能量密度更高、电流密度更高的新一代电池材料,这也是目前和未来的便携式设备和电动汽车市场迫切需要的材料。

此外,研究人员发现此类阳极材料在充放电速率很高的同时,还具有良好的稳定性,在经过多达2万次充放电循环后,仍可以保留高达79%的最大容量。

斯科尔科沃理工学院博士生Filipp Obrezkov表示:“基于聚三苯胺及其类似物的阴极材料在金属离子电池中表现出相当突出的特性,特别是表现出高放电潜力、良好的循环稳定性,并可在高充放电率下运行。但是,容量低限制了该类材料的商业化。因此,我们将重点放在分子设计和合成一组新的大分子上,此类分子能够提供更高的能量密度。而且其中设计的一种材料展示了非常好的性能,电池充放电时电流高达200C。重要的是,除了用于锂电池,我们还使用相同的材料合成了钠离子电池和钾离子电池。”

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近几十年来,由于人口增长、工业化以及各种家用电器和电子设备的不断发展,特别是移动设备和电动汽车数量的不断增加,世界能源消耗量也显著增加。因此,迫切需要研发电化学储能技术和设备,使其能够存储足够的能量并能够根据需要迅速释放。尽管由无机层状氧化物和磷酸盐制成的锂离子电池在市场上占主导地位,但由于其是由容量有限的重元素所制成,因而进一步提升其性能非常具有挑战性。

而且,研究人员还发现基于铜的聚合物既可用作阳极又可用作高容量的阴极材料。研究人员指出,尽管该阴极还不能以稳定的方式工作,还是有很多机会可以进行结构优化。该研究第一作者斯科尔科沃科技学院博士生Roman Kapaev表示:“有很多方式可以微调该配位聚合物的特性,实际上,我们正在处理一种构造工具包,能够轻松替换或改变聚合物中的成分,既可以改变胺的结构,又可以改变过渡金属阳离子,从而提升容量,增加或减少氧化还原电位,提升稳定性和各种其他性能。”

因此,研究结果证实了有机化合物做超快金属离子电池阴极的巨大潜力。今后,该项目可能会研发出容量和能量密度更高、电流密度更高的新一代电池材料,这也是目前和未来的便携式设备和电动汽车市场迫切需要的材料。

俄罗斯斯科尔科沃理工学院能源科技中心、俄罗斯RAS化学物理问题研究中心以及俄罗斯门捷列夫化工大学的研究人员设计出一种新型聚合物阴极材料,可实现性能优越的超快金属离子电池。

充放电速率是锂离子电池的关键特性之一。大多数现代商用电池都需要至少一个小时才能充满电,应用范围受到了巨大的限制,特别是限制其用于电动汽车。而最常用的阳极材料 – 石墨等活性材料随着充电速度的提升,容量会显著下降。为了在保持高充电率的同时,让电池容量保持较高水平,活性电极材料必须具备高电子和离子导电性,而新发现的配位聚合物由芳香胺和镍或铜等过渡金属盐组成,正符合该要求。尽管此类化合物前景很好,但是研究人员仍未探索是否它们能够应用于锂离子电池。

在Pavel Troshin教授研究小组进行的多个项目中,研究人员特别关注的是设计新型聚三苯胺类化合物,此化合物是金属离子电池有机阴极材料家族中最有前景的一种。

众所周知,如今阻碍纯电动汽车发展的最大瓶颈有两个,一个是电池的功率密度,另外一个就是充电速度了。前者影响一款电动车的制造成本和续航里程,而后者更是直接限制了纯电动汽车场景使用的便利性。但是为什么如今的电动车要充满电动辄就要一两个小时呢?

最近,斯科尔科沃科技学院与俄罗斯化学物理问题研究所的一组由P. Troshin教授领导的科学家和德国科隆大学以及俄罗斯乌拉尔联邦大学合作,专注于研究基于四氨基苯的镍和铜线性聚合物。虽然该线性聚合物与二维竞品相比,表现出更低的初始电子导电率,但是能够作为阳极材料,在不到一分钟的时间内完成充放电,因为掺杂了锂,在第一次放电后,其导电率会急剧增加。

据外媒报道,俄罗斯斯科尔科沃理工学院能源科技中心、俄罗斯RAS化学物理问题研究中心以及俄罗斯门捷列夫化工大学 的研究人员设计出一种新型聚合物阴极材料,可实现性能优越的超快金属离子电池。

斯科尔科沃理工学院博士生Filipp Obrezkov表示:“基于聚三苯胺及其类似物的阴极材料在金属离子电池中表现出相当突出的特性,特别是表现出高放电潜力、良好的循环稳定性,并可在高充放电率下运行。但是,容量低限制了该类材料的商业化。因此,我们将重点放在分子设计和合成一组新的大分子上,此类分子能够提供更高的能量密度。而且其中设计的一种材料展示了非常好的性能,电池充放电时电流高达200C。重要的是,除了用于锂电池,我们还使用相同的材料合成了钠离子电池和钾离子电池。”

在Pavel Troshin教授研究小组进行的多个项目中,研究人员特别关注的是设计新型聚三苯胺类化合物,此化合物是金属离子电池有机阴极材料家族中最有前景的一种。

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