無鈷電池可以為未來的汽車提供動力?

要點:
近日， 美國麻省理工學院的研究人員開發了一種基於有機材料的電池陰極，可以為電動汽車提供更可持續的動力。 研究人員表明，這種材料導電性與含鈷電池相似，并且具有低生產成本、高儲存能量等性能，有望節省大量成本和避免開釆用於電池的金屬帶來的環境問題。

電動車的崛起為鈷等金屬的需求帶來了顯著增長，然而，這些金屬的開採和使用帶來了高昂的財務、環境和社會成本。

近日，麻省理工學院的研究人員提出了一種全新的解決方案，他們設計了一種電池材料，為電動車提供了更可持續的動力來源。這種新型鋰離子電池的陰極採用了基於有機材料的設計，不再依賴於昂貴的鈷或鎳（鋰離子電池中另一種常見的金屬）。

研究人員在一項新的研究中指出，這種材料的生產成本遠低於含鈷電池，同時具有相似的導電速率。他們報告說，新型電池的儲存容量與含鈷電池相當，而且充電速度更快，這一發現有望為電動車行業帶來重大的突破。

Mircea Dincă作為麻省理工學院WM Keck能源教授，對這項材料表達了極大的期待，他表示：“我相信這種材料可能會產生巨大的影響，因為它的性能非常出色。它已經展現出與現有技術相比的優勢，並且有望大幅降低與目前用於電池製造的金屬相關的成本、困難和環境問題。”Dincă是這項研究的資深作者，該研究已在“ACS Central Science”雜誌上發表。此外，其他主要作者包括博士生Tianyang Chen和前麻省理工學院博士後Harish Banda。

鈷的替代品
大部分電動車使用鋰離子電池供電，這種電池在充電時，鋰離子從帶正電的電極（稱為陰極）流向帶負電的電極（稱為陽極）。在大多數鋰離子電池中，陰極含有鈷，這是一種具有高穩定性和能量密度的金屬。

然而，鈷也存在顯著的問題。作為一種稀有金屬，其價格可能會劇烈波動，而且世界上大部分鈷礦床都位於政治不穩定的國家。鈷的提取會導致危險的工作環境，并產生有毒廢物，污染礦場周圍的土地、空氣和水。

“鈷電池可以儲存大量能量，并且在性能方面具有人們關心的所有功能，但它們存在無法廣泛使用的問題，而且成本波動較大。而且，當電動車在消費市場中的比例大幅提高時，其價格肯定會變得更高。”相關專家表示說。

由於鈷存在許多缺點，人們進行了大量研究以尋找替代電池材料。其中一種材料是燐酸鐵鋰/LFP，一些汽車制造商已經開始在電動車中使用這種材料。雖然燐酸鐵鋰仍然具有實際用途，但其能量密度僅為鈷電池和鎳電池的一半左右。

另一個備受關注的選擇是有機材料，然而，到目前為止，大多數這些材料無法與含鈷電池的導電性、儲存容量和壽命相媲美。由於其電導率較低，這些材料通常需要與諸如聚合物等粘合劑混合，以幫助它們維持導電網絡。這些粘合劑至少占據整體材料的50％，這會降低電池的儲存容量。

大約六年前，一個由蘭博基尼資助的項目，旨在開發一種可用於為電動車提供動力的有機電池。在研究部分有機和部分無機的多孔材料時，項目負責人和他的學生意識到他們制造的完全有機材料似乎可能是強導體。

這種材料由多層TAQ/雙四氨基苯醌組成，TAQ是一種含有三個稠合六角環的有機小分子。這些層可以向各個方向向外延伸，形成類似石墨的結搆。分子內含有稱為醌的化學基團（電子庫）和胺，有助於材料形成強氫鍵。

這些氫鍵使材料高度穩定且非常難溶。這種不溶性很重要，因為它可以防止材料像某些有機電池材料一樣溶解到電池電解質中，從而延長其使用壽命。

“有機材料降解的主要方式之一是它們簡單地溶解到電池電解質中并穿過電池的另一側，本質上造成短路。如果你讓材料完全不溶，這個過程就不會發生，所以我們可以進行2000多個充電周期，而降解程度最小。”項目負責人對外表示說。

性能強勁
該材料的測試結果顯示，其導電率和儲存容量與傳統的含鈷電池相當。此外，釆用TAQ陶瓷的電池可以比現有電池更快地充電和放電，這可以加快電動車的充電速度。

為了穩定有機材料并提高其附着到由銅或鋁制成的電池集流體的能力，研究人員添加了縴維素和橡膠等填充材料。這些填料只占整個陰極復合材料的不到十分之一，因此它們不會顯著降低電池的儲存容量。

這些填料還有助於防止電池在充電過程中因鋰離子流入陶瓷而破裂，從而延長了電池陶瓷的使用壽命。制造這種類型的陶瓷所需的主要材料是醌前體和胺前體，它們已經商業化并作為商品化學品大量生產。研究人員估計，組裝這些有機電池的材料成本可能約為鈷電池成本的三分之一到二分之一。蘭博基尼已獲得了該技朮的專利授權。丁卡的實驗室計划繼續開發替代電池材料，并正在探索用鈉或鎂取代鋰的可能性，因為鈉或鎂比鋰更便宜、更丰富。