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研究人员开发有机基固态电池正极材料 可使能量密度翻番

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(图片来源:休斯顿大学)

,休斯顿大学(University of Houston)卡伦工程学院教授Yan Yao、休斯顿大学博士后Jibo Zhang,与莱斯大学(Rice University)的研究人员共同迎接这一挑战。研究团队证明,通过溶剂辅助过程来改变电极微结构,可以将有机基固态锂电池的能量密度提高至以前的两倍。

通常情况下,电池的容量和电压由正极决定。由于使用了钴等稀有材料,正极成为电池中最为昂贵的部分。但是,因其具有优异的性能,固态电池中几乎完全采用钴基正极。最近,基于有机化合物的锂电池(OBEM-Li)才成为一种更丰富、更清洁、更易于回收的替代品。

研究人员表示:“我们正在开发低成本、地壳储量丰富、无钴的有机基固态电池正极材料,这种电池将不再需要使用稀有过渡金属。在这项工作中,我们展示了制造高能量密度锂电池的可能性。我们使用从炼油厂或生物精炼厂获得的有机材料,代替基于过渡金属的正极。这些有机材料的都很丰富。”

钴基正极可以产生800 Wh/kg的材料级比能。然而,由有机材料制成的OBEM-Li电池能量密度有限,研究团队发现,这是因为之前OBEM-Li电池的正极微结构不理想,只能使用低质量分率的活性材料,从而影响总能量密度。

通过优化正极微结构,可以改善正极内的离子传输,从而提高OBEM-Li电池的能量密度。科学家们为此使用了由芘-4,5,9,10-四酮(PTO)有机材料制成的正极,并以乙醇为溶剂来改变其微观结构。Zhang表示:“钴基正极通常很受欢迎,因其具有非常理想的微结构。然而,在有机基固态电池中,要形成理想的微结构,更具挑战性。”

在电极层面上,因为显著提高了活性材料的利用率,溶剂辅助微结构的能量密度可达到300 Wh/kg。相比之下,干混合微结构的能量密度略低于180 Wh/kg。以前虽然可以增加活性物质的数量,但利用率仍然很低,仅接近50%。通过此项研究,其利用率可提高至98%,能量密度也随之提高。

研究人员表示:“PTO能够氧化硫化物电解质。我们研究了正极-固体电解质界面的化学成分、空间分布和电化学可逆性,从中找到线索,以解释电池为什么可以保持良好循环状态,而不出现容量衰减。”对于推动更可持续性电动汽车的发展,这项研究将起到重要作用。

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