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    廉價、高壓、無金屬鋰離子電池越來越接近現實

    技術前瞻  Technology prospect

    廉價、高壓、無金屬鋰離子電池越來越接近現實

    來源:
    中國化學與物理電源行業協會
    發布時間:
    2022/06/30
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    研究人員發現一種有機分子,即番紅花酸,這種酸可以提高現在鋰離子電池的電壓范圍。

     

    研究人員通過使用具有高壓電勢的有機分子作為電池的陰極,在研發廉價且高能的鋰離子電池上取得了重大進展。

     

    東北大學(Tohoku University)與加利福尼亞大學洛杉磯分校(University of California,Los Angeles)組成的聯合研究團隊制造了一種鋰電池,通過番紅花酸(croconic acid)作為陰極,代替了目前大多數鋰離子電池中的陰極,鋰離子電池通常由鋰和鈷、鐵、鎳和/或鋁等金屬組成。

     

    事實上,傳統的鋰離子電池依賴于鈷和鋰等稀有材料,這可能面臨難以獲取、不人道且成本昂貴。另一方面,有機電池利用天然豐富的元素,如碳、氫、氮和氧,這不僅使它們更環保,而且價格更低。

     

    研究人員表示,有機電池的另一優勢是比傳統鋰離子電池具有更高的理論容量,因為使用的這些有機材料使電池重量更輕。

     

    研究人員表示,該團隊的突破為未來開發無金屬、高能且廉價的鋰離子電池鋪平了道路,這些電池可以滿足下一代設備的能源需求。

     

    然而,到目前為止,有機電池的一個缺點是,大多數報告的電池是工作電壓相對較低,在1伏到3伏之間;因此,大幅度提高電壓一直是研究這些電池的科學家們的目標。

     

    高壓的潛力

    東北大學/加利福尼亞大學洛杉磯分校(UCLA)的研究團隊通過番紅花酸來實現這一目標,當番紅花酸用作鋰離子電池陰極材料,可以保持約4 V的強大工作電壓。該研究團隊由東北大學化學教授Itaru Honma與化學助力教授Hiroaki Kobayashi,和UCLA的研究生Yuto Katsuyama組成。

     

    Kobayashi在新聞稿中表示:“我們通過理論計算與電化學試驗研究了番紅花酸在3伏以上的高壓的電化學行為。我們發現番紅花酸儲存鋰離子的容量約為4 V,具有很高的理論能量密度,為1949 Wh/kg,比大多數無機和有機鋰離子電池都要大。”

     

    番紅花酸是一種五個碳原子以五角形相互連接的物質;每一個碳原子都與氧結合。該材料同樣具有638.6mAh/g的高理論容量,比傳統鋰離子電池陰極材料鈷酸鋰要高出很多,鈷酸鋰的容量僅約為140mAh/g。

     

    該研究團隊在雜志《Advanced Science》上發表了相關論文。

     

    未來的發展

    研究人員在研究中未能達到番紅花酸的理論容量;然而,他們對此依舊持樂觀態度,他們認為最終可以通過在高壓下研發出穩定的電解質,并對番紅花酸進行化學修飾來實現這一目標。

     

    研究人員表示,事實上,大多數電解質在番紅花酸的強工作電壓下無法發揮作用,這使得新電解質的開發成為這些有機電池發展的關鍵下一步。

     

    他們說,該研究團隊計劃探索如何通過對有機小分子(如,番紅花酸)進行適當的結構修飾來穩定分子,從而獲得更大的容量和可逆性。

     

    中國化學與物理電源行業協會 

    楊柳翻譯

    2022.6.24

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