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新型聚合物電池誕生 充電速度比鋰離子電池快10倍

2021-04-12 09:52  來源:cnBeta.COM  瀏覽:  

很難想象我們的日常生活中沒有鋰離子電池。它們主導(dǎo)了便攜式電子設(shè)備的小規(guī)格電池市場,也普遍用于電動汽車。與此同時,鋰離子電池也存在一些嚴重的問題,包括:在低溫下存在潛在的火災(zāi)隱患和性能下降;以及廢舊電池處理對環(huán)境的影響相當大。

據(jù)俄羅斯一研究團隊的領(lǐng)頭人、圣彼得堡大學(xué)電化學(xué)系教授奧列格·列文介紹,化學(xué)家們一直在探索將氧化還原活性的含硝基基聚合物作為電化學(xué)儲能材料。這些聚合物的特點是能量密度高,由于快速氧化還原的動力學(xué),這種聚合物電池充電和放電速度快。但具體實施到產(chǎn)品中時,面臨的一個挑戰(zhàn)是電導(dǎo)率不足,這阻礙了電荷的收集,即使使用高導(dǎo)電性的添加劑,如碳也難以解決問題。

圣彼得堡大學(xué)的研究人員為了尋找解決這個問題的方法,合成了一種基于鎳硒復(fù)合物(NiSalen)的聚合物。這種金屬聚合物的分子就像一根分子線,將能量密集的硝酰垂體連接在上面。該材料的分子結(jié)構(gòu)使其能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)高電容性能。

'我們在2016年提出了這種材料的概念。當時,我們開始開發(fā)一個基礎(chǔ)項目 "基于有機金屬聚合物的鋰離子電池電極材料"。該項目得到了俄羅斯科學(xué)基金會的資助。在研究這一類化合物的電荷傳輸機制時,我們發(fā)現(xiàn)有兩個關(guān)鍵的發(fā)展方向。首先,這類化合物可以作為保護層,覆蓋在電池的主導(dǎo)體電纜上,否則就會用傳統(tǒng)的鋰離子電池材料制成。其次,它們可以作為電化學(xué)儲能材料的活性成分,"Oleg Levin解釋說。

這種聚合物的研發(fā)花了三年多的時間。在第一年,科學(xué)家們對新材料的概念進行了測試:他們將各個成分結(jié)合起來,以模擬導(dǎo)電的主干和具有氧化還原活性的含硝基氧基的垂體。必須確保該結(jié)構(gòu)的所有部分都能相互配合與加強。下一階段是化合物的化學(xué)合成。這是項目中最具挑戰(zhàn)性的部分。這是因為有些成分極為敏感,即使是科學(xué)家最輕微的錯誤也可能導(dǎo)致樣品的降解。

在獲得的幾種聚合物試樣中,只有一種試樣是足夠穩(wěn)定和高效的。新化合物的主鏈是由鎳與Salen配體的復(fù)合物形成的(Salen這個名字是由水楊醛(salicylaldehyde)和乙二胺(ethylenediamine,en)組合而成)。一種能夠快速氧化和還原(充放電)的穩(wěn)定自由基通過共價鍵與主鏈相連。

'使用我們的聚合物制造的電池可以在幾秒鐘內(nèi)完成充電--比傳統(tǒng)的鋰離子電池快10倍左右。這一點已經(jīng)通過一系列實驗得到了證明。但是,現(xiàn)階段,它的容量仍然落后--比鋰離子電池低30-40%。Oleg Levin說:"我們目前正在努力改善這一指標,同時保持充放電速率。

新電池的陰極已經(jīng)制造完成,用于化學(xué)電流源的正極?,F(xiàn)在我們需要負極,事實上,它不需要從頭開始制作,可以從現(xiàn)有的電極中選擇。它們搭配在一起將形成一個系統(tǒng),在某些領(lǐng)域,可能很快就會取代鋰離子電池。

'新電池能夠在低溫下工作,在快速充電需求高的地方,它將是一個很好的選擇。它使用起來很安全,沒有任何可能構(gòu)成燃燒危險的物質(zhì),不像現(xiàn)在普遍使用的鈷基電池。它所含的可能對環(huán)境造成危害的金屬也大大減少。Oleg Levin說:"我們的聚合物中含有少量的鎳,但比鋰離子電池中的鎳含量少得多。
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