突破性有機陰極材料開啟鈉離子電池新紀元

科技 02-20

多年來，科學家們一直在尋找方法，以減少我們對鋰離子電池的依賴。這些傳統的可充電電池為當今最普遍的消費性電子產品提供動力，從筆記型電腦到智慧型手機，再到電動汽車。然而，鋰原料價格昂貴，且往往依賴脆弱的國際供應鏈。

普林斯頓大學的Dincă研究團隊近日宣佈了一項令人振奮的突破，他們開發出一種有機高能量陰極材料，可用於製造鈉離子電池。這項技術的進步，使得這種更安全、更便宜、更永續的電池有望實現商業化。相關研究成果已發表在《美國化學會期刊》上。

儘管科學家在鈉離子電池領域已取得一些進展，但由於其能量密度較低，電池續航時間相對較短，這成為主要障礙。此外，與輸出相關的高功率密度也是影響其效能的重要因素。如何同時實現高能量密度和高功率密度，一直是替代電池技術面臨的持續挑戰。

Dincă團隊提出的新型陰極材料——一種名為雙四氨基苯醌（TAQ）的層狀有機固體，在能量密度和功率密度方面均優於傳統鋰離子陰極材料，且具有真正的可擴充套件性。這項研究不僅可用於電動汽車，還具有大規模能源儲存應用的潛力，如資料中心、電網和商業規模的可再生能源系統。

「每個人都明白，對於像電池這樣重要的東西，資源有限帶來的挑戰，而鋰在多方面確實屬於『有限』資源，」普林斯頓大學化學系教授Mircea Dincă表示。「對於這些材料來說，擁有多樣化的選擇總是更好的。鈉幾乎無處不在。對我們來說，研究使用像有機物質和海水這樣豐富資源製造的電池，是我們最大的研究夢想之一。」

「能量密度是許多人關注的重點，因為它可以等同於電池的續航力。能量密度越高，你的車在需要充電前就能跑得更遠。我們的研究明確表明，我們開發的新材料具有最大的能量密度，無論是以每公斤計算，還是以體積計算，都能與目前最好的材料競爭。」

「站在開發真正永續且具有成本效益的鈉離子陰極或電池的最前線，確實令人興奮。」

該實驗室一年前在《ACS Central Science》上首次報告了TAQ在製造鋰離子電池中的效用，當時就強調了TAQ的優勢。研究人員繼續深入研究其潛力，特別是當他們發現TAQ完全不溶且具有高導電性時，這是有機陰極材料的兩個關鍵技術優勢。陰極是所有極化裝置的重要組成部分。

因此，他們致力於使用相同的材料TAQ構建有機鈉離子電池。這個過程耗時約一年，因為研究人員必須調整一些無法從鋰離子技術中直接轉移的設計原則。最終，結果超出了他們的預期。他們的陰極效能接近理論最大容量的基準。

「我們選擇的黏合劑——碳奈米管，促進了TAQ微晶和碳黑顆粒的混合，從而形成均勻的電極，」論文的第一作者、Dincă團隊的博士生陳天陽表示。「碳奈米管緊密包裹著TAQ微晶並將其互連。這兩個因素都促進了電極內部的電子傳輸，實現了幾乎100%的活性材料利用率，從而達到接近理論最大容量。」

「碳奈米管的使用顯著提高了電池的速率效能，這意味著電池可以在更短的充電時間內儲存相同數量的能量，或者在相同的充電時間內儲存更多的能量。」

陳天陽指出，TAQ作為陰極材料的優勢還包括其對空氣和濕度的穩定性、長壽命、耐高溫能力以及環境永續性。