许多电动汽车的电池都含有钴，这种金属会带来高昂的经济、环境和社会成本。麻省理工学院的研究人员现已设计出一种电池材料，可为电动汽车提供更可持续的动力。这种新型锂离子电池包括一种基于有机材料的阴极，而不是钴或镍（锂离子电池常用的另一种金属）。
在一项新的研究中，研究人员表明，这种材料的生产成本远远低于含钴电池，其导电率与钴电池相似。研究人员报告说，这种新型电池的储电量也与钴电池相当，而且充电速度也比钴电池快。
麻省理工学院 W.M. Keck 能源学教授 Mircea Dincă 说："我认为这种材料可以产生很大的影响，因为它的效果非常好。它与现有技术相比已经很有竞争力，而且它可以节省大量成本，并避免目前用于电池的金属开采所带来的痛苦和环境问题。"
Dincă是这项研究的资深作者，研究报告最近发表在《ACS Central Science》杂志上。23 岁的陈天阳博士和麻省理工学院前博士后哈里什-班达（Harish Banda）是论文的主要作者。其他作者包括麻省理工学院博士后王建德、麻省理工学院研究生朱利叶斯-奥本海姆（Julius Oppenheim）和博洛尼亚大学研究员亚历山德罗-弗朗切斯基（Alessandro Franceschi）。
大多数电动汽车都由锂离子电池驱动，这种电池的充电原理是锂离子从一个正电极（称为阴极）流向一个负电极（称为阳极）。在大多数锂离子电池中，阴极都含有钴，这是一种具有高稳定性和高能量密度的金属。
然而，钴也有很大的缺点。钴是一种稀缺金属，其价格会大幅波动，而且世界上大部分钴矿床都位于政局不稳的国家。钴的开采会造成危险的工作环境，并产生有毒废物，污染矿区周围的土地、空气和水源。
"钴电池可以储存大量的能量，在性能方面也具备人们所关心的所有特性，但它们存在供应不广的问题，而且成本会随着商品价格而大幅波动。"Dincă说："随着消费市场中电气化汽车的比例越来越高，成本肯定会越来越高。"
由于钴有这样那样的缺点，因此人们进行了大量研究，试图开发替代电池材料。其中一种材料是磷酸铁锂（LFP），一些汽车制造商已开始在电动汽车中使用这种材料。尽管锂-铁-磷酸酯电池仍有实际用途，但其能量密度只有钴和镍电池的一半左右。
另一种有吸引力的选择是有机材料，但迄今为止，大多数此类材料在导电性、存储容量和使用寿命方面都无法与含钴电池相媲美。由于导电率低，这类材料通常需要与聚合物等粘合剂混合，以帮助它们维持导电网络。这些粘合剂至少占整个材料的 50%，会降低电池的存储容量。
大约六年前，在兰博基尼的资助下，Dincă的实验室开始进行一个项目，开发一种可为电动汽车提供动力的有机电池。在研究部分有机、部分无机的多孔材料时，Dincă和他的学生意识到，他们制造的一种完全有机的材料似乎是一种强导体。
这种材料由多层 TAQ（双四氨基苯醌）组成，TAQ 是一种有机小分子，含有三个融合的六角环。这些层可以向各个方向延伸，形成类似石墨的结构。分子中含有称为醌和胺的化学基团，前者是电子库，后者有助于材料形成牢固的氢键。
这些氢键使材料高度稳定，同时也非常不溶解。这种不溶性非常重要，因为它可以防止材料像某些有机电池材料那样溶解到电池电解液中，从而延长其使用寿命。
Dincă 说："有机材料降解的主要方法之一是溶解到电池电解液中，并进入电池的另一端，从而形成短路。如果使材料完全不溶解，这个过程就不会发生，因此我们可以在最少降解的情况下进行 2000 多个充电循环。Dincă
对这种材料的测试表明，其导电性和存储容量与传统的含钴电池相当。此外，与现有电池相比，使用 TAQ 阴极的电池充放电速度更快，可加快电动汽车的充电速度。
为了稳定有机材料并提高其附着在铜或铝制成的电池集流器上的能力，研究人员添加了纤维素和橡胶等填充材料。这些填料占整个阴极复合材料的比例不到十分之一，因此不会显著降低电池的存储容量。
这些填料还能在电池充电时防止锂离子流入阴极，从而延长电池阴极的使用寿命。
制造这种阴极所需的主要材料是一种醌前体和一种胺前体，它们作为商品化学品已经在市场上大量供应和生产。研究人员估计，组装这些有机电池的材料成本大约是钴电池成本的三分之一到二分之一。
兰博基尼已经获得了这项技术的专利许可。Dincă 的实验室计划继续开发替代电池材料，并正在探索用钠或镁替代锂的可能性，因为钠或镁比锂更便宜、更丰富。
编译来源：ScitechDaily