新型聚合物電池誕生充電速度比鋰電池快10倍

很難想象我們的日常生活中沒有鋰離子電池。它們主導了便攜式電子設備的小規(guī)格電池市場，也普遍用于電動汽車。與此同時，鋰離子電池也存在一些嚴重的問題，包括：在低溫下存在潛在的火災隱患和性能下降；以及廢舊電池處理對環(huán)境的影響相當大。

據俄羅斯一研究團隊的領頭人、圣彼得堡大學電化學系教授奧列格·列文介紹，化學家們一直在探索將氧化還原活性的含硝基基聚合物作為電化學儲能材料。這些聚合物的特點是能量密度高，由于快速氧化還原的動力學，這種聚合物電池充電和放電速度快。但具體執(zhí)行到產品中時，面對的一個挑戰(zhàn)是電導率不足，這阻礙了電荷的收集，即使使用高導電性的添加劑，如碳也難以解決問題。

圣彼得堡大學的研究人員為了尋找解決這個問題的方法，合成了一種基于鎳硒復合物（NiSalen）的聚合物。這種金屬聚合物的分子就像一根分子線，將能量密集的硝酰垂體連接在上面。該材料的分子結構使其能夠在較寬的溫度范圍內實現高電容性能。

'我們在2016年提出了這種材料的概念。當時，我們開始開發(fā)一個基礎項目基于有機金屬聚合物的鋰離子電池電極材料。該項目得到了俄羅斯科學基金會的資助。在研究這一類化合物的電荷傳輸機制時，我們發(fā)現有兩個關鍵的發(fā)展方向。首先，這類化合物可以作為保護層，覆蓋在電池的主導體電纜上，否則就會用傳統(tǒng)的鋰離子電池材料制成。其次，它們可以作為電化學儲能材料的活性成分，OlegLevin解釋說。

這種聚合物的研發(fā)花了三年多的時間。在第一年，科學家們對新材料的概念進行了測試：他們將各個成分結合起來，以模擬導電的主干和具有氧化還原活性的含硝基氧基的垂體。必須確保該結構的所有部分都能相互配合與加強。下一階段是化合物的化學合成。這是項目中最具挑戰(zhàn)性的部分。這是因為有些成分極為敏感，即使是科學家最輕微的錯誤也可能導致樣品的降解。

在獲得的幾種聚合物試樣中，只有一種試樣是足夠穩(wěn)定和高效的。新化合物的主鏈是由鎳與Salen配體的復合物形成的（Salen這個名字是由水楊醛（salicylaldehyde）和乙二胺（ethylenediamine，en）組合而成）。一種能夠快速氧化和還原（充放電）的穩(wěn)定自由基通過共價鍵與主鏈相連。

'使用我們的聚合物制造的電池可以在幾秒鐘內完成充電--比傳統(tǒng)的鋰離子電池快10倍左右。這一點已經通過一系列實驗得到了證明。但是，現階段，它的容量仍然落后--比鋰離子電池低30-40%。OlegLevin說：我們目前正在努力改善這一指標，同時保持充放電速率。

新電池的陰極已經制造完成，用于化學電流源的正極?，F在我們要負極，事實上，它不要從頭開始制作，可以從現有的電極中選擇。它們搭配在一起將形成一個系統(tǒng)，在某些領域，可能很快就會取代鋰離子電池。

'新電池能夠在低溫下工作，在快速充電需求高的地方，它將是一個很好的選擇。它使用起來很安全，沒有任何可能構成燃燒危險的物質，不像現在普遍使用的鈷基電池。它所含的可能對環(huán)境造成危害的金屬也大大減少。OlegLevin說：我們的聚合物中含有少量的鎳，但比鋰離子電池中的鎳含量少得多。