日本JAIST开发锂离子电池负极材料 极大加快电动汽车充电速度

据外媒报道，日本高级科学和技术研究所（JAIST）利用生物基聚合物制造稳定的负极材料，可以极大地加快电动汽车充电速度。

（图片来源：phys.org）

随着气候变化日益严重，越来越多的研究人员致力于提升电动汽车的性能，以取代传统燃油汽车。其中改良电池是一个关键问题，除了安全、耐用等，大多数人都希望加快充电速度。目前，领先的电动汽车充电约需40分钟，而燃油车辆的加油时间不超过5分钟。因此，将充电时间降至15分钟以下，才称得上是可行性选择。

在电动汽车领域，锂离子电池得到广泛应用。提高锂离子的扩散速度，可以缩短锂离子电池的充电时间。这可以通过增加电池负极中使用的碳基材料的层间距离来实现。虽然通过引入氮杂质(技术上称为氮掺杂)已取得了一些成功，然而目前还没有一种能够轻松控制层间距离或浓缩掺杂元素的方法。

JAIST的研究团队开发了一种负极制造方法，使锂离子电池能以极快的速度充电。研究人员利用相对简单、环保、高效的方法，制造氮含量非常高的碳基负极。负极的前体材料是聚（苯并咪唑），这是一种生物基聚合物，可以利用生物源原料合成。该团队在800°C的温度下煅烧这种热稳定材料，以制备碳负极，其中氮含量达到创纪录的17%。研究人员已成功验证合成这种材料，并利用扫描电子隧道显微镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱等多种技术，分析其构成和结构性能。

为了测试这种负极的性能，并与更常见的石墨材料进行比较，研究人员制造了半电芯和全电芯，并进行充放电实验。结果表明，由于锂离子动力学性能增强，这种负极材料适合快速充电。此外，耐久性测试表明，采用这种负极材料的电池，经过3000次高速率充放电循环后，仍能保持约90%的初始容量，远高于石墨基电芯的容量。研究人员表示，这种负极材料的充电速度极快，使其适用于电动汽车。充电时间缩短，将促进消费者选择电动汽车，而不是燃油汽车，从而使环境更加清洁。

这种负极材料的另一优势是，在其合成过程中使用生物基聚合物。作为一种低碳技术，这种材料自然会产生协同效应，进一步减少CO2排放。此外，研究人员表示，采用这种方法，将推进对具有快速充放电能力的负极材料的结构-性能关系的研究。

调整聚合物前体的结构，有望提升材料性能。除了电动汽车的电池，这种材料也适用于便携式电子产品。此外，开发高耐久性电池，有利于减少使用稀有金属，这是不可再生的资源。