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前沿科技:无钴电池可为未来电动汽车提供动力。

许多电动汽车由含有钴的电池提供动力,钴是一种会带来高昂费用、环境和社会成本的金属。麻省理工学院的研究人员现在设计了一种新的电池材料,可以以一种更加可持续的方式来为电动汽车提供动力,这种新型锂离子电池包括基于有机材料的阴极,而不是钴或镍(锂离子电池中常用的另一种金属)。

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在这一项新的研究中,研究人员表明,此材料的生产成本比含钴电池低得多,并且与含钴电池有着相似的导电速率。研究人员报告说,新电池还具有与含钴电池相当的存储容量,并且充电速度更快。

麻省理工学院米尔恰·丁卡(Mircea Dincă)教授表示:我认为这种材料可能会产生很大的影响,因为它的效果非常好。它已经开始与现有技术展开竞争,并且可以节省大量开采目前电池所用金属的相关成本。

钴的替代品

大多数电动汽车是由锂离子电池供电,当锂离子从带正电的电极(称为阴极)流向带负电的电极(称为阳极)时,就会对电池进行充电。在大多数锂离子电池中,阴极含有钴,这是一种具有高稳定性和能量密度的金属。

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然而,钴也有显著的缺点。作为一种稀有金属,其价格可能会大幅波动,而且世界上大部分钴矿床都位于政治因素不稳定的国家。钴的提取也很危险并产生有毒废物,污染矿山周围的土地、空气和水。

米尔恰·丁卡教授表示: “钴电池可以储存大量能量,而且在性能方面表现很是优越,但其存在无法广泛使用的问题,而且成本随商品价格波动较大,随着消费市场中电动汽车比例的提高,它的价格肯定会变得更加昂贵。”

由于钴有许多缺点,人们进行了大量研究来尝试开发替代电池材料。其中一种材料是磷酸铁锂(LFP),很多电动汽车制造商已经开始在电动汽车中使用这种材料。虽然磷酸铁锂具有实际用途,但其能量密度仅为钴电池和镍电池的一半左右。

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另一个有吸引力的选择是有机材料,但到目前为止,大多数有机材料还无法与含钴电池的导电性、存储容量和寿命相媲美。由于其电导率较低,此类材料通常需要与聚合物等粘合剂混合,以帮助它们维持导电网络,这些粘合剂至少占整体材料的50%,会降低电池的存储容量。

大约六年前,丁卡的实验室开始开发一种可用于为电动汽车提供动力的有机电池,在研究部分有机和部分无机的多孔材料时,丁卡和他的学生们意识到他们制造的完全有机材料似乎可能是一种强导体。

这种材料由多层TAQ(双四氨基苯醌)组成,TAQ是一种含有三个稠合六角环的有机小分子,这些层可以向各个方向向外延伸,形成类似于石墨的结构,分子内有称为醌的化学基团(电子库)和胺,有助于材料形成强氢键。

这些氢键使材料高度稳定且非常难溶,这种不溶性很重要,因为它可以防止材料像某些有机电池材料那样溶解到电池电解质中,从而延长其使用寿命。

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有机材料降解的主要方法之一是它们简单地溶解到电池电解质中并穿过电池的另一侧,本质上造成短路。如果你让材料完全不溶,这个过程就不会发生,所以我们可以进行2000多个充电周期,而降解程度最小。

性能强劲

对该材料的测试表明,其导电率和存储容量与传统含钴电池相当。此外,采用TAQ阴极的电池可以比现有电池更快地充电和放电,这可以加快电动汽车的充电速度,还可以防止电池充电时锂离子流入阴极时破裂,从而延长电池阴极的使用寿命。

制造这种类型的阴极所需的主要材料是醌前体和胺前体,它们已经商业化并作为商品开始大量生产。研究人员估计,组装这些有机电池的材料成本可能约为钴电池成本的三分之一到二分之一。


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