鋰電池容量刷新“世界紀錄”

鋰電池已廣泛使用于各類便攜式電子設備，并有望在電動車、智能電網及分布式儲能等范疇大規模使用。隨著人類社會的發展，以及信息化、移動化、智能化，新型高容量、長壽命、低成本、高安全的電池亟待開發。

近日，中科院院士、南開大學教授陳軍團隊設計合成了一種具有超高容量的鋰電池有機正極材料——環己六酮，刷新了鋰電池有機正極材料容量的世界紀錄。相關成果發表于《德國使用化學》。

正極是鋰電池的“短板”

鋰電池的容量、能量密度等性能由正極限量，陳軍告訴《我國科學報》：“可以說，正極是鋰電池的一個‘短板’。”

另外，現有的鋰電池正極材料蘊含鈷等金屬元素，合成工藝涉及選礦、冶煉、回收等技術，存在資源匱乏、環境污染等難題。“因此，高容量、可再生、綠色環保、低成本的鋰電池正極材料已成為當前該范疇的研究熱點和重點。”陳軍說。

含有碳、氫、氧等元素的有機電極材料因其結構可設計性、對環境友好以及廉價豐富等優勢被認為是極具發展前景的下一代鋰電池正極材料。然而，該類材料仍面對實際容量不高(<600mAh/g)、易溶解于有機電解液等問題，導致其能量密度較低、容量衰減較嚴重、循環壽命較短。因此，要怎么樣設計合成具有超高容量的有機正極材料，并處理其在電解液中的溶解問題是鋰電池的一項挑戰。

研究人員把目標鎖定在環己六酮。該材料只由六個羰基構成，不存在任何非電化學活性的結構單元，且每一個羰基都能參與電化學反應，因此，環己六酮目前在眾多有機羰基正極材料中擁有最高的理論比容量(957mAh/g)。

“開發出更高容量的鋰電池正極材料可以不斷提高電池體系的能量密度，從而延長電池的工作時間。”陳軍表示。

沖破：提高材料的容量和壽命

在眾多有機羰基正極材料中，環己六酮材料雖具有最高的理論容量，但其易與水反應生成穩定的水合物，因此一直沒被合成出來。經分解探索，研究人員發展了一種脫水反應新辦法，通過精確控制脫水反應的溫度和壓力，成功實現了環己六酮材料的合成。

另外，就正極材料而言，循環壽命的長短是決定其能否實實際際使用的一個緊要因素。作為有機小分子材料，環己六酮易溶解在基于有機酯類和醚類的鋰離子電解液中，導致其循環壽命較短。

論文第一作者、南開大學博士盧勇接受《我國科學報》采訪時表示，為處理此問題，團隊結合相近相溶原理，采用基于離子液體的電解液，并經過系列優化，發現離子液體較大的極性能夠使環己六酮的溶解度大大降低。

陳軍指出，該辦法有效提高了環己六酮的循環壽命，為環己六酮進一步實際使用奠定了基礎。他表示，合成具有超高容量的環己六酮材料，并優化匹配的電解液、提高材料壽命，是這項研究的兩個緊要沖破。

隨后研究人員研究了環己六酮材料在鋰電池中的充放電反應機理和電化學性能，結果聲明環己六酮的放電比容量可達902mAh/g，為目前已知的有機電極材料容量最高值，組裝的電池具有長循環壽命等特征。

鋰電池的新高度

研究人員表示，以環己六酮為正極的鋰電池具備電池容量更高、壽命更長等優點，為未來鋰電池在電動車、儲能電網等范疇的使用供應支撐。

論文審稿人認為，該研究首次合成了超高容量環己六酮正極材料，并通過理論計算和試驗手段研究了環己六酮在鋰電池中的性能和充放電機理，是一項原始創新的工作，是將來可繼續能源存儲技術范疇的一個緊要沖破。

陳軍指出，超高容量鋰電池環己六酮正極材料的合成以及鋰電池的使用探究，將有機正極材料的能量密度提高到一個新的水平。

“詳盡來說，環己六酮材料的能量密度高達1533Wh/kg，此能量密度遠高于目前商品化的鋰電池正極材料，如鈷酸鋰(約600Wh/kg)，同時也高于目前研究報道的其他有機正極材料。”陳軍認為，對只含有高豐度碳、氧元素的高能量密度環己六酮材料進行進一步優化，有利于實現其大規模的實際使用，為將來高容量有機電極材料的設計、制備和電池使用供應新思路。

美國工程院院士、康奈爾大學教授LyndenA.Archer表示，這一開創性成果把該范疇的工作推向了頂峰。

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除