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

现在只有2%的汽车实现了电动化。然而，预计到2030年这一比例将增长至30%。推动电动汽车商业化的关键在于使用更安全、易回收的材料，同时提高电池能量密度。

（图片来源：休斯顿大学）

据外媒报道，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。这些有机材料的产能都很丰富。”

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。