研究人员开发用于超快电池的聚合物阴极 有望替代锂电池

锂离子电池的需求量激增但是锂储量有限，因此科学家们正在寻找锂技术的替代品。来自Skoltech，D。Mendeleev大学的俄罗斯研究人员以及RAS化学物理问题研究所已经合成并测试了用于锂双离子电池的新型聚合物基正极材料。测试表明，新阴极可承受25,000个工作周期，并在几秒钟内充电，因此性能优于锂离子电池，阴极也可用于生产较便宜的钾双离子电池。

这项研究发表在《能源技术》杂志上（“基于双氢吩嗪的共聚物作为有希望的双离子电池正极材料”）。

全世界的用电量每年都在增长，对能量存储解决方案的需求也在增长，因为许多设备通常以自主模式运行。锂离子电池可以产生巨大的功率，同时表现出相当高的放电和充电率以及每单位质量的存储容量，使其成为电子，电力运输和全球电网中流行的存储设备。例如，澳大利亚正在启动一系列大型锂离子电池存储项目，以管理多余的太阳能和风能。

如果锂离子电池的产量继续增长，世界锂储量可能迟早会用完。随着刚果生产60％的锂离子电池正极钴，钴价格可能会飙升。锂也是如此，因为锂开采的用水量对环境构成了巨大挑战。因此，研究人员正在寻找新的储能设备，该设备依赖于更多易用的材料，同时使用与锂离子电池相同的工作原理。

该团队使用了一种有前途的后锂双离子技术，该技术基于涉及电解质阴离子和阳离子的电化学过程，从而实现了锂离子电池充电速率的全面提高。另一个优点是，阴极原型是由多种有机化合物合成的聚合芳香胺制成的。

“我们以前的研究针对的是可在几秒钟内完成充电和放电的超快速大容量电池的聚合物阴极，但我们需要更多，”Skoltech博士FilippA.Obrezkov说。学生和论文的第一作者。“我们使用了多种选择，包括线性聚合物，其中每个单体单元仅与两个相邻单元键合。在这项研究中，我们继续研究新的支化聚合物，其中每个单元与至少三个其他单元键合。它们一起形成大的网状结构，从而确保电极过程的动力学更快。用这些材料制成的电极显示出更高的充电和放电速率。”

标准锂离子电池充满了含锂的电解质，并通过隔板分为阳极和阴极。在充电电池中，大多数锂原子都结合在阳极的晶体结构中。随着电池放电，锂原子通过隔板从阳极移动到阴极。俄罗斯团队研究了双离子电池，其中的电化学过程涉及电解质的阳离子（即锂阳离子）和分别进入和脱离阳极和阴极材料结构的阴离子。

另一个新颖的特征是，在一些实验中，科学家们使用钾电解质而不是昂贵的锂电解质来获得钾双离子电池。

该小组合成了二氢吩嗪与二苯胺（PDPAPZ）和吩噻嗪（PPTZPZ）的两种新型共聚物，它们用于生产阴极。作为阳极，他们使用了金属锂和钾。由于阴极驱动了这些称为半电池的电池原型的关键特征，因此科学家们将它们组装起来，以快速评估新型阴极材料的性能。

尽管PPTZPZ半电池表现出平均性能，但PDPAPZ却效率更高：带有PDPAPZ的锂半电池充电和放电相当快，同时表现出良好的稳定性，即使在25,000个工作循环后仍能保持其容量的三分之一。如果普通电话电池保持稳定，则可以每天充电和放电70年。PDPAPZ钾半电池表现出398Wh/kg的高能量密度。为了比较，普通锂电池的值为200-250Wh/kg，包括阳极和电解质的重量。因此，俄罗斯团队证明了聚合物阴极材料可以制造出高效的锂和钾双离子电池。