无钴电池可以为未来的汽车提供动力

许多电动汽车由含有钴的电池供电，钴是一种具有高财务、环境和社会成本的金属。

麻省理工学院的研究人员现在已经设计出一种电池材料，可以提供一种更可持续的方式来为电动汽车提供动力。新的锂离子电池包括一个基于有机材料的阴极，而不是钴或镍（锂离子电池中经常使用的另一种金属）。

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，可以以与钴电池相似的速率导电。研究人员报告说，新电池还具有相当的存储容量，可以比钴电池更快地充电。

“我认为这种材料可能会产生很大的影响，因为它效果非常好，”麻省理工学院 WM Keck 能源教授 Mircea Dincă 说。“它已经与现有技术竞争，它可以节省大量成本和痛苦以及与开采目前用于电池的金属相关的环境问题。

Dincă是该研究的资深作者，该研究今天发表在 ACS Central Science杂志上。Tianyang Chen PhD ’23 和前麻省理工学院博士后 Harish Banda 是该论文的主要作者。其他作者包括麻省理工学院博士后Jiande Wang;朱利叶斯·奥本海姆（Julius Oppenheim），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（Alessandro Franceschi）。

钴的替代品

大多数电动汽车由锂离子电池供电，锂离子是一种当锂离子从带正电的电极（称为阴极）流向负极（称为阳极）时充电的电池。在大多数锂离子电池中，阴极含有钴，钴是一种具有高稳定性和能量密度的金属。

然而，钴有很大的缺点。钴是一种稀缺金属，其价格可能会大幅波动，世界上大部分钴矿床都位于政治不稳定的国家。钴的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，它们在性能方面具有人们关心的所有功能，但它们存在无法广泛使用的问题，并且成本随商品价格波动很大。而且，随着消费市场中电动汽车比例的提高，它肯定会变得更加昂贵，“Dincă说。

由于钴有许多缺点，人们已经进行了大量研究，试图开发替代电池材料。其中一种材料是磷酸铁锂（LFP），一些汽车制造商开始将其用于电动汽车。虽然仍然实用，但LFP的能量密度只有钴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，这些材料中的大多数都无法与含钴电池的导电性、存储容量和寿命相匹配。由于其低导电性，此类材料通常需要与聚合物等粘合剂混合，这有助于它们保持导电网络。这些粘合剂至少占总材料的 50%，降低了电池的存储容量。

大约六年前，Dincă的实验室开始研究一个由兰博基尼资助的项目，以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，Dincă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（双四氨基苯醌）是一种有机小分子，包含三个稠合的六方环。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，它们是电子储存库，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不溶。这种不溶性很重要，因为它可以防止材料像一些有机电池材料那样溶解到电池电解液中，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交叉到电池的另一侧，基本上会产生短路。如果你使材料完全不溶，这个过程就不会发生，所以我们可以进行超过2000次充电循环，而降解最小，“Dincă说。

性能强劲

对这种材料的测试表明，其电导率和存储容量可与传统含钴电池相媲美。此外，带有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增加其粘附在电池集流体（由铜或铝制成）上的能力，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。

这些填充物还可以防止电池阴极在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是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许可。Dincă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。