新碳基有機分子替代鈷，讓鋰電池更環保
時間:2020-04-06 13:52來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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（圖源：YORKU官網）
生產鋰電池要用到鋰和鈷等有毒重金屬，而開采和處理這些金屬，會對環境造成不良影響。因此，有機材料被視為頗具發展前景的替代品。據外媒報道，加拿大約克大學（York University）的研究人員發現一種新方法，可以使鋰電池更加環保，同時保持性能、穩定性和存儲容量。
Thomas Baumgartner教授及其團隊開發出一種新碳基有機分子，可以替代鋰離子電池正極中使用的鈷。這種新材料既能保持性能，又可以解決無機材料的缺陷。
實驗用有機電極之前已經存在，諸如用碳、氮、氧、磷和硫等元素制成的電極。但是，均在不同程度上存在這樣的問題：它們自身的氧化還原反應，會導致循環惡化，使其逐漸溶解到電解質中，而且導電性低，終端電壓低。
研究小組選擇一種名為紫羅堿（viologen）的化學物質，可以在不受損的情況下釋放電子，甚至可以用兩個電子達到同樣的效果，因此存儲容量更大。特別是，自定義電活性磷酰基橋接紫羅堿（PY2PV）的磷酰基部分，使其可以在較高的終端電壓下工作，而不會失去容納兩個電子的能力。用來降低電極電阻的單壁碳納米管（SWCNTs），也是電極的構成部分。
這項研究的新穎之處在于，將芘合成到電活性磷酰基橋接紫羅堿分子中。芘與 SWCNTs的親和力很強，并通過物理吸附與之結合，形成PY2PV:SWCNT復合物。這種結合可以防止電活性磷酰基橋接紫羅堿溶解到電解液中，解決了上述常見有機電極問題。而且，這種結合可以形成緊密耦合，而不是簡單的混合，從而促進紫羅堿分子和SWCNTs 之間的固態電子轉移，同時不減少電子存儲容量。研究團隊證明，這種材料可以充放電500次，實現長期穩定運行。
Baumgartner表示：“由有機材料制成的電極，可以進行大規模生產、回收或處理，而且更加環保。我們的目標是制造出穩定的可持續性電池，具有同樣甚至更好的容量。我們制造的這一類特殊分子，使電活性成分非常適合應用于電池，因為擅于儲存電荷，而且具有良好的長期穩定性。我們對這種電活性成分進行優化，并將其置于電池中。它能夠產生良好的電壓，高達3.5V，這正是目前鋰電池的工作電壓段。這是向制造全有機可持續電池邁進的重要一步。”
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