俄罗斯科学家利用有机材料制阴极 让钾电池在10秒内完成充放电

据外媒报道，俄罗斯斯科尔科沃科技学院（Skoltech）的研究人员与俄罗斯科学院化学物理研究所（Institute for Problems of Chemical Physics of RAS）以及乌拉尔联邦大学（Ural Federal University）的研究人员合作，证实可以利用有机材料，无需使用锂或其他稀有元素，制成高容量、高功率的电池。此外，研究人员还证明了该阴极材料具有极高的稳定性，制成的钾电池充放电迅速且具有高能量密度。

（图片来源：phys.org）

现在，锂离子电池成为日常生活不可或缺的东西，广泛用于存储能量，尤其是用于便携式电子产品。由于电动汽车不断得到发展，吸引了越来越多的投资，电池的需求也在激增。例如，沃尔沃计划到2025年将电动汽车销量占总销量的比例提高至50%，而戴姆勒宣布将停止研发内燃机，重点转向电动汽车。

不过，大量使用锂离子电池会使生产锂离子电池所需的资源面临严重短缺。钴、镍和锰等过渡性金属通常用于制造电池阴极，相当稀有、昂贵，而且有毒。有少数几个国家在生产大多数不是很常见的锂，但全球范围内的锂供应量太少，无法让所有传统汽车都被由锂电池提供动力的电动汽车所取代。据德国能源经济研究中心（FFE）估计，在未来几十年内，锂金属短缺可能会变成一个严重的问题。最近，科学家们都提出建议，寻找钠和钾等其他替代品，此类金属在化学特性上与锂相似。

斯科尔科沃科技学院的研究人员在Pavel Troshin教授的带领下，在研发基于有机阴极材料的钠和钾电池方面取得了很大的进展。

研究人员们在第一篇论文中提到一种含有六氮杂苯并菲（hexaazatriphenylene）碎片的聚合物。事实证明，该新材料同样适用于锂电池、钠电池和钾电池，充电时间为30至60秒，在经历数千次的充放电循环后仍能够保持储能能力。该论文的第一作者兼Skoltech的博士生Roman Kapaev解释道：“多功能性是有机材料的关键优势之一，相对于反离子的特性，它们的氧化还原反应机制没有那么明显，因而更容易找到锂离子电池的替代品。随着锂的价格不断上涨，用更便宜的、永远用不完的钠或钾来代替锂是合理的。至于无机材料，情况会变得更加复杂。”

六氮杂苯并菲聚合物阴极的缺点是工作电位较低（相对于K+/K电位约为1.6V），导致储能能力下降。因而，研究人们在第二篇论文中提到了另一种材料，一种基于二氢苯那津胺（dihydrophenazine）的聚合物，沒有工作电位较低的缺点，可以确保电池的平均工作电压增加至3.6V。该论文的第一作者兼Skoltech的博士生Philipp Obrezkov解释表示：“芳香族聚合物可制成优良的高压有机阴极，用于金属离子电池。在此次研究中，我们首次在钾电池阴极中使用了多氮苯基5，10二氢苯那津胺。通过彻底优化电解质，达到了593 W×h/kg的比能，是目前所知的所有钾离子电池阴极所达到的最高比能。”

金属离子电池具有的主要问题之一是会生长金属枝晶，尤其是配备金属阳极的电池。金属枝晶长到电池芯中会导致短路，通常还会引起火灾甚至爆炸。为避免此种情况，可以采用合金代替纯碱金属，因为合金在电池工作温度下是液态的，这也是2019年诺贝尔奖得主John B. Goodenough所提出的观点。钾钠合金的熔点低，为零下12.7摄氏度，钠含量约为22%。

在第三次研究中，科学家们在碳纸上使用了类似的钠钾合金，作为电池的阳极，而之前所研发的氧化还原活性聚合物作为阴极。据说，此类电池可以在10秒的时间内完成充放电。有趣的是，其中一种聚合物阴极使钾电池达到了最高能量容量，而另一种阴极让钾电池具备极好的稳定性，在1万次充放电循环后，只损失了11%的容量。此外，基于此两种材料制成的电池都显示了无与伦比的功率特性，接近100,000 W/kg，达到了超级电容器的功率水平。