要点:
近日， 美国麻省理工学院的研究人员开发了一种基于有机材料的电池阴极，可以为电动汽车提供更可持续的动力。 研究人员表明，这种材料导电性与含钴电池相似，并且具有低生产成本、高储存能量等性能，有望节省大量成本和避免开釆用于电池的金属带来的环境问题。
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电动车的崛起为钴等金属的需求带来了显著增长，然而，这些金属的开采和使用带来了高昂的财务、环境和社会成本。
近日，麻省理工学院的研究人员提出了一种全新的解决方案，他们设计了一种电池材料，为电动车提供了更可持续的动力来源。这种新型锂离子电池的阴极采用了基于有机材料的设计，不再依赖于昂贵的钴或镍（锂离子电池中另一种常见的金属）。
研究人员在一项新的研究中指出，这种材料的生产成本远低于含钴电池，同时具有相似的导电速率。他们报告说，新型电池的储存容量与含钴电池相当，而且充电速度更快，这一发现有望为电动车行业带来重大的突破。
Mircea Dincă作为麻省理工学院WM Keck能源教授，对这项材料表达了极大的期待，他表示：“我相信这种材料可能会产生巨大的影响，因为它的性能非常出色。它已经展现出与现有技术相比的优势，并且有望大幅降低与目前用于电池制造的金属相关的成本、困难和环境问题。”Dincă是这项研究的资深作者，该研究已在“ACS Central Science”杂志上发表。此外，其他主要作者包括博士生Tianyang Chen和前麻省理工学院博士后Harish Banda。
钴的替代品<br data-mce-fragment="1">大部分电动车使用锂离子电池供电，这种电池在充电时，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）。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。
然而，钴也存在显著的问题。作为一种稀有金属，其价格可能会剧烈波动，而且世界上大部分钴矿床都位于政治不稳定的国家。钴的提取会导致危险的工作环境，并产生有毒废物，污染矿场周围的土地、空气和水。
“钴电池可以储存大量能量，并且在性能方面具有人们关心的所有功能，但它们存在无法广泛使用的问题，而且成本波动较大。而且，当电动车在消费市场中的比例大幅提高时，其价格肯定会变得更高。”相关专家表示说。
由于钴存在许多缺点，人们进行了大量研究以寻找替代电池材料。其中一种材料是燐酸铁锂/LFP，一些汽车制造商已经开始在电动车中使用这种材料。虽然燐酸铁锂仍然具有实际用途，但其能量密度仅为钴电池和镍电池的一半左右。
另一个备受关注的选择是有机材料，然而，到目前为止，大多数这些材料无法与含钴电池的导电性、储存容量和寿命相媲美。由于其电导率较低，这些材料通常需要与诸如聚合物等粘合剂混合，以帮助它们维持导电网络。这些粘合剂至少占据整体材料的50％，这会降低电池的储存容量。
大约六年前，一个由兰博基尼资助的项目，旨在开发一种可用于为电动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，项目负责人和他的学生意识到他们制造的完全有机材料似乎可能是强导体。
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，形成类似石墨的结构。分子内含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一样溶解到电池电解质中，从而延长其使用寿命。
“有机材料降解的主要方式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。”项目负责人对外表示说。
性能强劲
该材料的测试结果显示，其导电率和储存容量与传统的含钴电池相当。此外，釆用TAQ陶瓷的电池可以比现有电池更快地充电和放电，这可以加快电动车的充电速度。
为了稳定有机材料并提高其附着到由铜或铝制成的电池集流体的能力，研究人员添加了纤维素和橡胶等填充材料。这些填料只占整个阴极复合材料的不到十分之一，因此它们不会显著降低电池的储存容量。
这些填料还有助于防止电池在充电过程中因锂离子流入陶瓷而破裂，从而延长了电池陶瓷的使用寿命。制造这种类型的陶瓷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化学品大量生产。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。兰博基尼已获得了该技术的专利授权。丁卡的实验室计划继续开发替代电池材料，并正在探索用钠或镁取代锂的可能性，因为钠或镁比锂更便宜、更丰富。
