研究人员研发合成聚合物电池正极材料 可用于快充电
来源： 日期：2021-01-26
据外媒报道，来自Skoltech大学、D. Mendeleev大学以及RAS化学物理问题研究所的俄罗斯研究人员合成了可用于锂双离子电池的新聚合物阴极材料，并对其进行了测试。测试结果表明，新阴极性能优于锂离子电池，不仅可循环25,000个充电周期，并可在几秒钟内完成充电，可用于生产价格较低的钾双离子电池。
由于许多设备大多采用自动模式，因此全球电量消耗逐年递增，对于能量存储解决方案的需求也随之增长。功率大、放电/充电率高以及单位质量的存储容量大，锂离子电池成为电子产品、电力运输和全球电网的主要存储设备。例如，澳大利亚就正在启动一系列大型锂离子电池存储项目，从而管理其丰富的太阳能和风能。
如果锂离子电池的产量持续增长，那么世界锂资源储量将会枯竭。例如，刚果为生产锂电池开发了当地60％的钴，导致钴的价格飙升。对于锂资源而言，亦然。由于在开采锂的过程中需要消耗大量的水资源，给生态环境也带来了巨大挑战。 因此，研究人员正在开发新的储能设备，希望可使用容易开采且兼备锂离子电池相同工作原理的金属资源作为原材料
研究团队采用后锂双离子技术，而该技术基于电解液阴离子和阳离子的电化学过程，与锂离子电池相比，可大大提高充电速率。此外，其阴极原型采用聚合物芳香胺，该材料可由多种有机化合物合成。
Skoltech大学博士Filipp A. Obrezkov表示：“我们先前的研究重点是聚合物阴极，从而实现快充大容量电池在几秒内完成充电和放电，但我们并不满足于此。我们还试验了多种替代物，如线性聚合物，它的每个单体单元仅与两个相邻单元键合。而在这项研究中，我们使用的是新型支化聚合物，其每个单元均与至少三个其他单元键合，形成较大的网状结构，从而加快电极过程动力学。通过使用这些材料制成的电极也展示出了更高的充电和放电速率。”
标准锂离子电池的电解质含有大量锂原子，并通过隔板被分为正极和负极。在充电电池中，大多数锂原子都结合在负极的晶体结构中。随着电池放电，锂原子会通过隔板从负极移动到正极。研究团队通过研究双离子电池，发现电化学过程中的电解液的正离子（即锂阳离子）和负离子可以分别进出阳极和阴极结构。值得注意的是，科学家们在制作钾双离子电池实验时，采用的是钾电解质而非昂贵的锂电解质。
该小组使用二苯胺（PDPAPZ）和吩噻嗪（PPTZPZ）合成两种新型二氢吩嗪共聚物作为正极材料，并使用锂金属和钾金属作为负极。由于正极决定半电池原型的特点，因此科学家们将其进行组合，从而快速对新型阴极材料性能进行评估。
尽管PPTZPZ半电池性能平平，但PDPAPZ表现良好。由PDPAPZ制成的锂半电池充电和放电速度非常快，25,000个充电周期后，仍表现出良好的稳定性且容量保持在三分之一。也就是说，通常情况下，如果普通手机电池保持稳定，即使每天充电和放电，也可使用70年。PDPAPZ钾半电池能量密度高达398 Wh / kg，而普通锂电池即使将负极和电解质的重量计入其中，其能量密度也仅为200-250 Wh / kg。因此，俄罗斯研究小组表明，聚合物正极材料完全可用于制造高效的锂和钾双离子电池。
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