麻省理工學院的新型無鈷有機電池材料將爲電動汽車帶來革命性變革

許多電動汽車的電池都含有鈷，這種金屬會帶來高昂的經濟、環境和社會成本。麻省理工學院的研究人員現已設計出一種電池材料，可爲電動汽車提供更可持續的動力。這種新型鋰離子電池包括一種基於有機材料的陰極，而不是鈷或鎳（鋰離子電池常用的另一種金屬）。

在一項新的研究中，研究人員表明，這種材料的生產成本遠遠低於含鈷電池，其導電率與鈷電池相似。研究人員報告說，這種新型電池的儲電量也與鈷電池相當，而且充電速度也比鈷電池快。

麻省理工學院 W.M. Keck 能源學教授 Mircea Dincă 說："我認爲這種材料可以產生很大的影響，因爲它的效果非常好。它與現有技術相比已經很有競爭力，而且它可以節省大量成本，並避免目前用於電池的金屬開採所帶來的痛苦和環境問題。"

Dincă是這項研究的資深作者，研究報告最近發表在《ACS Central Science》雜誌上。23 歲的陳天陽博士和麻省理工學院前博士後哈里什-班達（Harish Banda）是論文的主要作者。其他作者包括麻省理工學院博士後王建德、麻省理工學院研究生朱利葉斯-奧本海姆（Julius Oppenheim）和博洛尼亞大學研究員亞歷山德羅-弗朗切斯基（Alessandro Franceschi）。

大多數電動汽車都由鋰離子電池驅動，這種電池的充電原理是鋰離子從一個正電極（稱爲陰極）流向一個負電極（稱爲陽極）。在大多數鋰離子電池中，陰極都含有鈷，這是一種具有高穩定性和高能量密度的金屬。

然而，鈷也有很大的缺點。鈷是一種稀缺金屬，其價格會大幅波動，而且世界上大部分鈷礦牀都位於政局不穩的國家。鈷的開採會造成危險的工作環境，併產生有毒廢物，污染礦區周圍的土地、空氣和水源。

"鈷電池可以儲存大量的能量，在性能方面也具備人們所關心的所有特性，但它們存在供應不廣的問題，而且成本會隨着商品價格而大幅波動。"Dincă說："隨着消費市場中電氣化汽車的比例越來越高，成本肯定會越來越高。"

由於鈷有這樣那樣的缺點，因此人們進行了大量研究，試圖開發替代電池材料。其中一種材料是磷酸鐵鋰（LFP），一些汽車製造商已開始在電動汽車中使用這種材料。儘管鋰-鐵-磷酸酯電池仍有實際用途，但其能量密度只有鈷和鎳電池的一半左右。

另一種有吸引力的選擇是有機材料，但迄今爲止，大多數此類材料在導電性、存儲容量和使用壽命方面都無法與含鈷電池相媲美。由於導電率低，這類材料通常需要與聚合物等粘合劑混合，以幫助它們維持導電網絡。這些粘合劑至少佔整個材料的 50%，會降低電池的存儲容量。

大約六年前，在蘭博基尼的資助下，Dincă的實驗室開始進行一個項目，開發一種可爲電動汽車提供動力的有機電池。在研究部分有機、部分無機的多孔材料時，Dincă和他的學生意識到，他們製造的一種完全有機的材料似乎是一種強導體。

這種材料由多層 TAQ（雙四氨基苯醌）組成，TAQ 是一種有機小分子，含有三個融合的六角環。這些層可以向各個方向延伸，形成類似石墨的結構。分子中含有稱爲醌和胺的化學基團，前者是電子庫，後者有助於材料形成牢固的氫鍵。

這些氫鍵使材料高度穩定，同時也非常不溶解。這種不溶性非常重要，因爲它可以防止材料像某些有機電池材料那樣溶解到電池電解液中，從而延長其使用壽命。

Dincă 說："有機材料降解的主要方法之一是溶解到電池電解液中，並進入電池的另一端，從而形成短路。如果使材料完全不溶解，這個過程就不會發生，因此我們可以在最少降解的情況下進行 2000 多個充電循環。Dincă

對這種材料的測試表明，其導電性和存儲容量與傳統的含鈷電池相當。此外，與現有電池相比，使用 TAQ 陰極的電池充放電速度更快，可加快電動汽車的充電速度。

爲了穩定有機材料並提高其附着在銅或鋁製成的電池集流器上的能力，研究人員添加了纖維素和橡膠等填充材料。這些填料佔整個陰極複合材料的比例不到十分之一，因此不會顯著降低電池的存儲容量。

這些填料還能在電池充電時防止鋰離子流入陰極，從而延長電池陰極的使用壽命。

製造這種陰極所需的主要材料是一種醌前體和一種胺前體，它們作爲商品化學品已經在市場上大量供應和生產。研究人員估計，組裝這些有機電池的材料成本大約是鈷電池成本的三分之一到二分之一。

蘭博基尼已經獲得了這項技術的專利許可。Dincă 的實驗室計劃繼續開發替代電池材料，並正在探索用鈉或鎂替代鋰的可能性，因爲鈉或鎂比鋰更便宜、更豐富。

編譯來源：ScitechDaily