新電池研究可能會產(chǎn)生完全由聚合物材料制成的高性能電池

在過去的二十年中，鋰離子電池已成為主導(dǎo)的電化學(xué)存儲系統(tǒng)。手機，個人電子產(chǎn)品，電動汽車(EV)和大規(guī)模電網(wǎng)是受益于商用鋰離子電池的高能量容量和良好功率性能的應(yīng)用。盡管鋰離子電池占據(jù)主導(dǎo)地位，但它們具有一些限制其功能的特性。如果鋰離子電池以較快的速率充電(大于1C，或在一小時內(nèi)充滿電，則會出現(xiàn)嚴(yán)重問題)。大規(guī)模接受電動汽車的一個絆腳石是為電池充電所需的時間。因此，電池研究人員正在研究可以促進更快鋰離子電池充電的替代材料。

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在商用鋰離子電池中，陰極由可以存儲帶正電荷的鋰離子的金屬氧化物的組合制成。當(dāng)電池充電時，這些鋰離子從陰極通過液體電解質(zhì)轉(zhuǎn)移到由石墨材料制成的電池的陽極。在放電時，鋰離子被轉(zhuǎn)移回陰極，同時釋放出可用于為器件供電的電子。

一種能夠更快地充電鋰離子電池的陰極材料是一類稱為有機自由基聚合物的聚合物。由于附著于聚合物鏈的側(cè)鏈基團的可逆還原 - 氧化(氧化還原)反應(yīng)，這些分子具有電化學(xué)活性。德克薩斯A&M大學(xué)教授Jodie L. Lutkenhaus博士一直在研究一種完全由聚合物制成的電池，這項工作在德克薩斯A&M新聞發(fā)布中有所描述。

它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)使有機自由基聚合物非常穩(wěn)定和具有反應(yīng)性。它們在基團上具有單個電子，并且該未配對的電子允許在氧化還原反應(yīng)期間在這些聚合物中快速電荷轉(zhuǎn)移。根據(jù)Lutkenhaus的說法，這類聚合物的主要吸引力在于反應(yīng)的速度。“這些聚合物非常適合用于電池，因為它們可以比手機或類似設(shè)備中的任何普通電池更快地充電和放電。這種快速充電可能會極大地改變現(xiàn)今電動汽車的使用方式，”她說。由有機自由基聚合物制成的電池可能以高達50℃的速率充電，超過1,000次循環(huán)。

有機基聚合物的還原和氧化反應(yīng)性質(zhì)已知有一段時間了，使用這一概念的電池最早于2005年開發(fā)。然而，在Lutkenhaus的研究之前，電子和離子通過聚合物傳輸?shù)拇_切機制已經(jīng)尚未確定 - 這些反應(yīng)發(fā)生的規(guī)模和速度使得難以可靠地捕獲數(shù)據(jù)。

為了研究這種運輸，德克薩斯A&M團隊成員能夠使用專用設(shè)備捕獲非常詳細的測量結(jié)果，這是一種帶有耗散監(jiān)測的電化學(xué)石英晶體微量天平(EQCM-D)。“當(dāng)我們對聚合物進行充電和放電時，我們實際上正在對它進行稱重，因此我們確切地知道它的重量甚至低至納克級精度。該裝置非常靈敏，我們可以測量進出有機自由基聚合物的離子，“Lutkenhaus解釋道。

根據(jù)新聞稿，在此研究之前，共識是在此過程中只傳輸陰離子(電子)。然而，EQCM-D結(jié)果表明鋰離子也被運輸。此外，離子的行為和傳輸似乎比聚合物本身更依賴于電解質(zhì)。聚合物和電解質(zhì)的相互作用是Lutkenhaus計劃進一步研究的領(lǐng)域，其最終目標(biāo)是完全由聚合物制成的電池。