據外媒報道，俄羅斯斯科爾科沃科技學院（Skoltech）的研究人員與俄羅斯科學院化學物理研究所（Institute for Problems of Chemical Physics of RAS）以及烏拉爾聯邦大學（Ural Federal University）的研究人員合作，證實可以利用有機材料，無需使用鋰或其他稀有元素，製成高容量、高功率的電池。此外，研究人員還證明了該陰極材料具有極高的穩定性，製成的鉀電池充放電迅速且具有高能量密度。
現在，鋰離子電池成為日常生活不可或缺的東西，廣泛用於存儲能量，尤其是用於便攜式電子產品。由於電動汽車不斷得到發展，吸引了越來越多的投資，電池的需求也在激增。例如，沃爾沃計劃到2025年將電動汽車銷量佔總銷量的比例提高至50%，而戴姆勒宣佈將停止研發內燃機，重點轉向電動汽車。
不過，大量使用鋰離子電池會使生產鋰離子電池所需的資源面臨嚴重短缺。鈷、鎳和錳等過渡性金屬通常用於製造電池陰極，相當稀有、昂貴，而且有毒。有少數幾個國家在生產大多數不是很常見的鋰，但全球範圍內的鋰供應量太少，無法讓所有傳統汽車都被由鋰電池提供動力的電動汽車所取代。據德國能源經濟研究中心（FFE）估計，在未來幾十年內，鋰金屬短缺可能會變成一個嚴重的問題。最近，科學家們都提出建議，尋找鈉和鉀等其他替代品，此類金屬在化學特性上與鋰相似。
斯科爾科沃科技學院的研究人員在Pavel Troshin教授的帶領下，在研發基於有機陰極材料的鈉和鉀電池方面取得了很大的進展。
研究人員們在第一篇論文中提到一種含有六氮雜苯並菲（hexaazatriphenylene）碎片的聚合物。事實證明，該新材料同樣適用於鋰電池、鈉電池和鉀電池，充電時間為30至60秒，在經歷數千次的充放電循環後仍能夠保持儲能能力。該論文的第一作者兼Skoltech的博士生Roman Kapaev解釋道：“多功能性是有機材料的關鍵優勢之一，相對於反離子的特性，它們的氧化還原反應機制沒有那麼明顯，因而更容易找到鋰離子電池的替代品。隨著鋰的價格不斷上漲，用更便宜的、永遠用不完的鈉或鉀來代替鋰是合理的。至於無機材料，情況會變得更加複雜。”
六氮雜苯並菲聚合物陰極的缺點是工作電位較低（相對於K+/K電位約為1.6V），導致儲能能力下降。因而，研究人們在第二篇論文中提到了另一種材料，一種基於二氫苯那津胺（dihydrophenazine）的聚合物，沒有工作電位較低的缺點，可以確保電池的平均工作電壓增加至3.6V。該論文的第一作者兼Skoltech的博士生Philipp Obrezkov解釋表示：“芳香族聚合物可製成優良的高壓有機陰極，用於金屬離子電池。在此次研究中，我們首次在鉀電池陰極中使用了多氮苯基5，10二氫苯那津胺。通過徹底優化電解質，達到了593 W×h/kg的比能，是目前所知的所有鉀離子電池陰極所達到的最高比能。”
金屬離子電池具有的主要問題之一是會生長金屬枝晶，尤其是配備金屬陽極的電池。金屬枝晶長到電池芯中會導致短路，通常還會引起火災甚至爆炸。為避免此種情況，可以採用合金代替純鹼金屬，因為合金在電池工作溫度下是液態的，這也是2019年諾貝爾獎得主John B. Goodenough所提出的觀點。鉀鈉合金的熔點低，為零下12.7攝氏度，鈉含量約為22%。
在第三次研究中，科學家們在碳紙上使用了類似的鈉鉀合金，作為電池的陽極，而之前所研發的氧化還原活性聚合物作為陰極。據說，此類電池可以在10秒的時間內完成充放電。有趣的是，其中一種聚合物陰極使鉀電池達到了最高能量容量，而另一種陰極讓鉀電池具備極好的穩定性，在1萬次充放電循環後，只損失了11%的容量。此外，基於此兩種材料製成的電池都顯示了無與倫比的功率特性，接近100,000 W/kg，達到了超級電容器的功率水平。
閱讀更多 搜狐汽車E電園 的文章
關鍵字: 2019未來科學大獎 外媒 俄羅斯科學院
