科学家利用有机材料制阴极 可让钾电池在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的研究人员与俄罗斯科学院化学物理研究所以及乌拉尔联邦大学的研究人员合作，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。

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PavelTroshin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RomanKapaev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PhilippObrezkov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593Wh/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JohnB.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100000W/kg，达到了超级电容器的功率水平。