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MIT團隊合成新型電化學儲能材料，實現高功率、高容量的電荷儲存

2023-08-19 06:57:31來源：DeepTech  

如今，為了應對氣候變化和響應國家政策，社會各行各業都在積極落實生產生活的低碳減排。其中，降低交通領域和電網儲能領域的碳排放量尤為重要。


【資料圖】

而大力發展電化學儲能系統，比如常見的鋰離子電池或超級電容器，是推進上述領域實現低碳減排的一條重要路徑。

目前，商業可得的鋰離子電池和超級電容器，有著各自的優缺點。前者的能量密度較高，功率密度較低，因此雖然可以儲存大量的能量，但充放電非常耗費時間。后者則相反，雖然能夠在極短的時間內完成充放電，但其所能儲存的能量卻比鋰離子電池少得多。

因此，合成同時具備高容量密度和高功率密度的電化學儲能材料是該領域的眾多科研人員孜孜以求的目標。

近期，來自美國麻省理工學院的研究團隊，合成了一類有機的稠合芳香族材料，在一小時左右的充/放電條件下具有 310mAhg-1 的容量，并且在短至 33 秒的充/放電時間內仍顯示出高達 220mAhg-1 的容量，達到電化學儲能領域追求的目標性能。

同時，由于組成該材料的碳、氫、氧、氮元素在地球上的儲量非常豐富，因此預測能夠以較低的成本進行生產，有望解決該領域一直存在的高性能“材料荒”的問題。

具體來說，在相同的充放電速度下，該材料的儲存容量，是現在流行的鋰離子電池正極材料的兩倍左右；在相同的儲存容量下，該材料的充放電時間是鋰離子電池正極材料的 1/10 至 1/100。

圖丨高密度、高容量電化學儲能（來源：Joule）

2023 年 5 月 17 日，相關論文以《富含氫鍵的稠合芳烴中的高密度、高容量電化學儲能》（High-rate, high-capacity electrochemical energy storage in hydrogen-bonded fused aromatics）為題在 Joule 上發表[1]。

圖丨相關論文（來源：Joule）

麻省理工學院博士研究生陳天陽和哈里什·班達（Harish Banda）博士（現為美國德克薩斯大學埃爾帕索分校化學助理教授）為該論文的共同第一作者，麻省理工學院米爾恰·丁卡（Mircea Dinc?）教授擔任論文的通訊作者。

圖丨團隊合照：左為陳天陽博士；右為 Mircea Dinc? 教授（來源：陳天陽）

據陳天陽介紹，其所在的實驗室長期從事電化學儲能領域的研究。此前，團隊成員已經在超級電容器材料的合成與應用領域深耕多年。

他表示，從發現該材料到最終確定材料的性能，中間經歷了許多波折。探明材料的結構，是他們面臨的首要挑戰。

“我們合成出了材料，但起初并不清楚它的結構，這就很難對它進行更進一步的研究。”陳天陽說。

為了驗證該材料的結構，他曾先后三次對其結構進行了假設，但無一例外最后都被實驗證實是錯誤的。最后，他和團隊成員借助三維電子衍射的方法，測出了該材料的單晶結構。由于陳天陽所在的實驗室已經建成了一套相對成熟的電化學儲能測試的研究步驟，所以之后的研究就順利許多。

與此同時，他也表示：“該材料的結構和我們想象的完全不一樣，我覺得這是在科研上得到的一個驚喜。當你在孜孜不倦地追求一個科學真理或科學問題時，有可能會犯各種各樣的錯誤，但只要堅持下去，一定會得到想要的結果，甚至會高于自己的期望。”

研究過程中，該團隊還發現了其他不曾預想到的結果。比如，該材料的儲能性能會對電解質的 pH 值產生很大的依賴性，而這一點并不常見。

陳天陽解釋道：“我們發現，只有在低 pH 值或高 pH 值的條件下，材料才能發揮出最優異的性能。不過，需要說明的是，即便是在中性的電解質里，材料的儲能容量也已經超過了現有鋰離子電池材料。”

基于該材料的性能，其在未來有望于兩個方面得到應用。

第一，與現有的鋰離子電池相結合，應用于一些需要快速充電的場景。

第二，該材料使用水系的電解質，不會發生自燃，從安全性角度來看，能夠被用于家用的蓄電池系統。

據了解，目前該材料已經實現了在實驗室內的批量化制備。不僅如此，陳天陽所在的實驗室也正在聯合工業界的合作伙伴，嘗試在工業范圍內進行生產，并已完成了相關專利的申請。

關于后續的研究計劃，該團隊也正在緊鑼密鼓地進行中。一方面，將材料應用到鋰離子電池中，實現在儲存相同能量的條件下，比現在商業可得的鋰離子電池快 5 至 10 倍的充放電速度。目前，相關研究已基本完成，論文成果即將被投稿。另一方面，他們也打算采用鋰之外的金屬進行電池的制備，比如鈉金屬，并希望能夠制備出與鋰離子電池性能相同的鈉離子電池。

參考資料：

1. T., Chen, H., Banda, L., Yang. et al. High-rate, high-capacity electrochemical energy storage in hydrogen-bonded fused aromatics. Joule 7, 5 , 986-1002（2023）. https://doi.org/10.1016/j. joule .2023.03.011

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責任編輯：hnmd003

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