俄罗斯科学家研发新型聚合物电池 充电速度比锂离子电池快10倍

锂电池在我们的日常生活中已是不可或缺的一部分,它不仅主导了便携式电子设备的小电池市场,也被普遍用于电动汽车。但它也存在许多严重的问题,包括在低温下存在潜在的火灾隐患和性能下降,以及废旧电池处理对环境的影响相当大等。不过,俄罗斯一研究团队的最新成果,让新型电池成为可能。

据研究团队负责人、俄罗斯圣彼得堡大学电化学系教授Oleg Levin介绍,化学家们一直在探索将氧化还原活性的含硝基聚合物作为电化学储能材料,它们的能量密度较高,由于快速氧化还原的动力学,这种聚合物电池充电和放电速度都很快。

但与此同时,Levin也指出,当具体实施到产品中时,就会面临导电率不足的问题,这阻碍了电荷的收集,即使使用高导电性的添加剂(如碳)也难以解决问题。

为了解决这个问题,来自圣彼得堡大学的研究人员合成了一种基于镍硒复合物的聚合物。这种金属聚合物的分子就像一根分子线,将能量密集的硝酰垂体连接在上面。该材料的分子结构使其能够在较宽的温度范围内实现高电容性能。

Levin进一步解释道,“我们早在2016年就提出了这种材料的概念。在研究这类化合物的电荷传递机理时,我们发现有两个关键的发展方向。首先,这些化合物可以作为保护层覆盖电池的主导体电缆。其次,它们可以作为电化学储能材料的活性成分。”

科学家们研发这种聚合物花了三年多的时间。在第一年,他们对这种新材料的概念进行了测试:将各个成分结合起来,以模拟导电的主干和具有氧化还原活性的含硝基氧基的垂体。重要的是要确保结构的所有部分都能协同工作,并相互加强。下一阶段是化合物的化学合成。这也是项目中最具挑战性的部分。这是因为有些成分非常敏感,即使是科学家最轻微的错误也可能导致样品的降解。

在获得的几个聚合物样品中,只有一个被发现是足够稳定和高效的。新化合物的主链是由镍与Salen配体的复合物形成的。一种能够快速氧化和还原(充放电)的稳定自由基通过共价键与主链相连。

Levin表示,“用我们的聚合物制造的电池可以在几秒钟内充电,比传统锂离子电池快10倍。这已经通过一系列实验得到了证实。然而,在现阶段,它在容量方面仍然落后,比锂离子电池低30 - 40%。我们目前正在努力改善这一指标,同时保持充放电率。”

这种新型电池的阴极已经制作完成,用于化学电流源的正极。现在所需要的是负极,也就是阳极。事实上,它不需要从头开始制作,可以从现有的电极中选择。研究人员指出,它们搭配在一起将形成一个系统,在某些领域,可能很快就会取代锂离子电池。

“新电池能够在低温下工作,在快速充电需求高的地方,它将是一个很好的选择。它使用起来很安全,没有任何可能构成燃烧危险的物质,不像现在普遍使用的钴基电池。它所含的可能对环境造成危害的金属也大大减少。”Levin补充说,“我们的聚合物中含有少量的镍,但比锂离子电池中的镍含量少得多。”


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