许多电动汽车由含有钴的电池提供动力，钴是一种会带来高昂财务、环境和社会成本的金属。麻省理工学院的研究人员现在设计了一种电池材料，可以提供一种更可持续的方式来为电动汽车提供动力。新型锂离子电池包括基于有机材料的阴极，而不是钴或镍(锂离子电池中常用的另一种金属)。

在一项新的研究中，研究人员表明，这种材料的生产成本比含钴电池低得多，并且可以以与钴电池相似的速率导电。研究人员报告说，新电池还具有与钴电池相当的存储容量，并且充电速度更快。

麻省理工学院WMKeck能源教授MirceaDincă表示：“我认为这种材料可能会产生很大的影响，因为它的效果非常好。”“它已经与现有技术竞争，并且可以节省大量与开采目前用于电池的金属相关的成本、痛苦和环境问题。”

Dincă是该研究的资深作者，该研究于今天(1月18日)发表在《ACSCentralScience》杂志上。陈天阳博士'23和前麻省理工学院博士后HarishBanda是该论文的主要作者。其他作者包括麻省理工学院博士后王建德;朱利叶斯·奥本海姆(JuliusOppenheim)，麻省理工学院研究生;以及博洛尼亚大学研究员亚历山德罗·弗朗西斯基(AlessandroFranceschi)。

钴的替代品

大多数电动汽车由锂离子电池供电，当锂离子从带正电的电极(称为阴极)流向带负电的电极(称为阳极)时，就会对这种电池进行充电。在大多数锂离子电池中，阴极含有钴，这种金属具有高稳定性和能量密度。

然而，钴也有显着的缺点。作为一种稀有金属，其价格可能会大幅波动，而且世界上大部分钴矿床都位于政治不稳定的国家。钴提取会造成危险的工作条件并产生有毒废物，污染矿山周围的土地、空气和水。

“钴电池可以储存大量能量，而且它们具有人们关心的性能方面的所有功能，但它们存在无法广泛使用的问题，而且成本随商品价格波动很大。而且，当你过渡时对于消费市场上更高比例的电动汽车来说，它的价格肯定会变得更加昂贵，”Dincă说。

由于钴有许多缺点，人们进行了大量研究来尝试开发替代电池材料。其中一种材料是磷酸铁锂(LFP)，一些汽车制造商开始在电动汽车中使用这种材料。虽然磷酸铁锂仍然具有实际用途，但其能量密度仅为钴电池和镍电池的一半左右。

另一个有吸引力的选择是有机材料，但到目前为止，大多数这些材料还无法与含钴电池的导电性、存储容量和寿命相匹配。由于其电导率较低，此类材料通常需要与聚合物等粘合剂混合，以帮助它们维持导电网络。这些粘合剂至少占整体材料的50%，会降低电池的存储容量。

大约六年前，丁卡的实验室开始开展一个由兰博基尼资助的项目，开发一种可用于为电动汽车提供动力的有机电池。在研究部分有机和部分无机的多孔材料时，丁卡和他的学生意识到他们制造的完全有机材料似乎可能是一种强导体。

这种材料由多层TAQ(双四氨基苯醌)组成，TAQ是一种含有三个稠合六角环的有机小分子。这些层可以向各个方向向外延伸，形成类似于石墨的结构。分子内有称为醌的化学基团(电子库)和胺，有助于材料形成强氢键。

这些氢键使材料高度稳定且非常难溶。这种不溶性很重要，因为它可以防止材料像某些有机电池材料那样溶解到电池电解质中，从而延长其使用寿命。

“有机材料降解的主要方法之一是它们简单地溶解到电池电解质中并穿过电池的另一侧，本质上造成短路。如果使材料完全不溶解，则该过程不会发生这种情况，因此我们可以进行2,000多个充电周期，而性能下降程度最小，”Dincă说。

性能强劲

对该材料的测试表明，其导电率和存储容量与传统含钴电池相当。此外，采用TAQ阴极的电池可以比现有电池更快地充电和放电，这可以加快电动汽车的充电速度。

为了稳定有机材料并提高其粘附到由铜或铝制成的电池集流体的能力，研究人员添加了纤维素和橡胶等填充材料。这些填料占整个阴极复合材料的不到十分之一，因此它们不会显着降低电池的存储容量。

这些填料还可以防止电池充电时锂离子流入阴极时破裂，从而延长电池阴极的使用寿命。

制造这种类型的阴极所需的主要材料是醌前体和胺前体，它们已经商业化并作为商品化学品大量生产。研究人员估计，组装这些有机电池的材料成本可能约为钴电池成本的三分之一到二分之一。

兰博基尼已获得该技术的专利授权。丁卡的实验室计划继续开发替代电池材料，并正在探索用钠或镁替代锂的可能性，钠或镁比锂更便宜、更丰富。

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