【前沿科技】俄罗斯化学家开发了聚合物阴极的超快电池

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撰稿：科技报告服务与产业情报研究中心  周肖贝

2021年1月20日，太空日报网发布信息，面对锂离子电池需求的激增和有限的锂储量，科学家们正在寻找锂技术的替代品。来自斯科尔泰克、门捷列夫大学和俄罗斯科学院化学物理问题研究所的研究人员合成并测试了用于锂双离子电池的新型聚合物基阴极材料。

测试表明，新的阴极能够承受25000次工作循环，充电时间仅为几秒钟，因此性能优于锂离子电池。阴极也可用于生产价格较低的钾双离子电池。这项研究成果发表在《能源技术》杂志上。

全球用电量逐年增长，对储能解决方案的需求也在增长，因为许多设备通常以自主模式运行。锂离子电池可以产生巨大的能量，同时显示出相当高的放电率和充电率以及单位质量的存储容量，使其成为电子、电力运输和全球电网中流行的存储设备。例如，澳大利亚正在启动一系列大型锂离子电池储能项目，管理过剩的太阳能和风能。

如果锂离子电池继续大量生产，世界锂储量迟早会耗尽。随着刚果生产60%的锂离子电池阴极用钴，钴的价格可能会飙升。锂也是如此，因为锂开采的耗水量对环境构成巨大挑战。因此，研究人员正在寻找一种新的储能装置，该装置依赖于更易获取且使用与锂离子电池相同的工作原理的材料。

该团队使用了一种很有前途的锂后双离子技术，该技术基于电解液中的阴离子和阳离子的电化学过程，实现多方面提高锂离子电池充电速率。另一个优点是阴极原型是由各种有机化合物合成的聚合芳香胺制成的。

斯科尔泰克博士生、论文第一作者菲利普 A. 奥布雷兹科夫（Filipp A. Obrezkov）说：“我们之前的研究是针对超快大容量电池的聚合物阴极，这种电池可以在几秒钟内充放电，但我们想要更好的超快大容量电池。”

“我们使用了包括线性聚合物的各种替代品，其中每个单体单元只与两个相邻单元结合。在这项研究中，我们继续研究新的支链聚合物，其中每个单元至少与其他三个单元结合。它们一起形成大的网状结构，确保电极过程的动力学更快。由这些材料制成的电极显示出更高的充放电率。”

一个标准的锂离子电池充满含锂的电解液，并通过一个分离器将其分为阳极和阴极。在充电电池中大部分锂原子都被结合在阳极的晶体结构中。

当电池放电时，锂原子通过隔膜从阳极移动到阴极。俄罗斯研究小组研究了双离子电池，其中电化学过程涉及电解质的阳离子（即锂阳离子）和阴离子，它们分别进出阳极和阴极材料的结构。

另一个新特点是，科学家在一些实验中用钾电解质代替昂贵的锂电解质来获得钾双离子电池。

研究小组合成了二氢吩嗪与二苯胺（PDPAPZ）和吩噻嗪（PPTZPZ）两种新型的共聚物，并将其用于生产阴极。使用金属锂和钾作为阳极。由于阴极驱动着这些被称为半电池的电池原型的关键特性，科学家们将它们组装起来快速评估新阴极材料的性能。

虽然PPTZPZ半电池表现出平均性能，但PDPAPZ的效率更高：使用PDPAPZ的锂半电池充电和放电速度相当快，同时显示出良好的稳定性，即使在25000次工作循环后仍能保持三分之一的容量。如果一个普通的手机电池是稳定的，它就可以每天充电和放电持续70年。

PDPAPZ钾半电池能量密度高达398wh/kg。作为对比，包括阳极和电解液重量的普通锂电池的值为200-250Wh/kg。因此，俄罗斯团队证明了聚合物阴极材料可以制造出高效的锂和钾双离子电池。

来源：《国际能源领域动态监测》2021年第2期（总第186期）

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