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技術前瞻 Technology prospect
廉價、高壓、無金屬鋰離子電池越來越接近現實
研究人員發現一種有機分子，即番紅花酸，這種酸可以提高現在鋰離子電池的電壓范圍。
研究人員通過使用具有高壓電勢的有機分子作為電池的陰極，在研發廉價且高能的鋰離子電池上取得了重大進展。
東北大學（Tohoku University）與加利福尼亞大學洛杉磯分校（University of California，Los Angeles）組成的聯合研究團隊制造了一種鋰電池，通過番紅花酸（croconic acid）作為陰極，代替了目前大多數鋰離子電池中的陰極，鋰離子電池通常由鋰和鈷、鐵、鎳和/或鋁等金屬組成。
事實上，傳統的鋰離子電池依賴于鈷和鋰等稀有材料，這可能面臨難以獲取、不人道且成本昂貴。另一方面，有機電池利用天然豐富的元素，如碳、氫、氮和氧，這不僅使它們更環保，而且價格更低。
研究人員表示，有機電池的另一優勢是比傳統鋰離子電池具有更高的理論容量，因為使用的這些有機材料使電池重量更輕。
研究人員表示，該團隊的突破為未來開發無金屬、高能且廉價的鋰離子電池鋪平了道路，這些電池可以滿足下一代設備的能源需求。
然而，到目前為止，有機電池的一個缺點是，大多數報告的電池是工作電壓相對較低，在1伏到3伏之間；因此，大幅度提高電壓一直是研究這些電池的科學家們的目標。
高壓的潛力
東北大學/加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）的研究團隊通過番紅花酸來實現這一目標，當番紅花酸用作鋰離子電池陰極材料，可以保持約4 V的強大工作電壓。該研究團隊由東北大學化學教授Itaru Honma與化學助力教授Hiroaki Kobayashi，和UCLA的研究生Yuto Katsuyama組成。
Kobayashi在新聞稿中表示：“我們通過理論計算與電化學試驗研究了番紅花酸在3伏以上的高壓的電化學行為。我們發現番紅花酸儲存鋰離子的容量約為4 V，具有很高的理論能量密度，為1949 Wh/kg，比大多數無機和有機鋰離子電池都要大。”
番紅花酸是一種五個碳原子以五角形相互連接的物質；每一個碳原子都與氧結合。該材料同樣具有638.6mAh/g的高理論容量，比傳統鋰離子電池陰極材料鈷酸鋰要高出很多，鈷酸鋰的容量僅約為140mAh/g。
該研究團隊在雜志《Advanced Science》上發表了相關論文。
未來的發展
研究人員在研究中未能達到番紅花酸的理論容量；然而，他們對此依舊持樂觀態度，他們認為最終可以通過在高壓下研發出穩定的電解質，并對番紅花酸進行化學修飾來實現這一目標。
研究人員表示，事實上，大多數電解質在番紅花酸的強工作電壓下無法發揮作用，這使得新電解質的開發成為這些有機電池發展的關鍵下一步。
他們說，該研究團隊計劃探索如何通過對有機小分子（如，番紅花酸）進行適當的結構修飾來穩定分子，從而獲得更大的容量和可逆性。
中國化學與物理電源行業協會
楊柳翻譯
2022.6.24