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(jī)，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(jìn)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(jī)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(tuán)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(xiàng)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(jī)自由基聚合物非常穩(wěn)定和具有反應(yīng)性。它們在基團(tuán)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?yàn)樗鼈兛梢员仁謾C(jī)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(jī)自由基聚合物制成的電池可能以高達(dá)50℃的速率充電，超過1,000次循環(huán)。

有機(jī)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(jī)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(yùn)輸，德克薩斯A&M團(tuán)隊(duì)成員能夠使用專用設(shè)備捕獲非常詳細(xì)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(jìn)行充電和放電時，我們實(shí)際上正在對它進(jìn)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(jìn)出有機(jī)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(yùn)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(jìn)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。