圣彼得堡国立大学的科研工作者们研发了一种新型电池,其充电速度比锂离子电池快十倍,而且无论是在火灾的发生还是其利用对环境的影响方面都会更加安全。

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在俄罗斯科学基金会的支持下,此项研究的成果发表已在《电池与超级电容》(Batteries & Supercaps)杂志上。

无法想象没有锂离子电池的现代世界,它们应用广泛——从智能手机到电动汽车的各种设备上都有使用。与此同时,锂离子电池也有一些严重的缺陷,其中包括可能发生的火灾,寒冷环境下的电容损失,以及在处理废旧电池时对环境的巨大威胁science lunch akkum min 16

据科研团队负责人、圣彼得堡国立大学电化学教研室教授奥列格·列文说,化学家们正在考虑将具有氧化还原活性的含硝基氧基的聚合物作为新电池的基础材料。这种聚合物具有高能量密度(单位体积的能量)和氧化还原反应产生的充放电速度的特性。此类聚合物的导电性不足会妨碍其使用。即使在使用高导电性的添加剂(例如煤)的前提下,它也可以防止电荷积聚。

为了解决这个问题,圣彼得堡国立大学科研人员合成了一种基于镍-沙连(NiSalen)复合物的聚合物。该聚合物的分子充当分子线,上面附有高能量的硝基氧基片。这种材料的分子结构使同时实现高功率、高电容和低温特性成为可能。

2016年我们提出了这种材料的概念。当时,在俄罗斯科学基金会的 基金 支持下,我们开始研究基础项目“基于金属有机聚合物的锂离子电池的电极材料”。

圣彼得堡国立大学电化学教研室教授奥列格·列文

“当我们研究这类化合物的电荷转移机制时,发现它们具有两个研发方向。首先,它们可以与传统的锂离子电池材料一起用作保护层其次,它们本身可以成为蓄电材料的活性成分,”奥列格·列文说。science lunch akkum min 1

该聚合物的研发耗时三年多。在第一年里,科研工作人员测试了新材料的设计:将模拟导电链的单个组件与具有氧化还原性的硝基氧基的聚合物混合在一起。对于科研人员而言,重要的是要确保混合物结构的组成部分既能够相互协作,又能够相互加强。之后,开始物质合成,这是研发新材料最艰难的阶段。因为它涉及敏感成分,很容易因科研人员的一丁点失误而功亏一篑。

在研发获得的几种聚合物中,只有一种是稳定可行的。这种新材料的主链是由镍配合物和“沙连”的配体形成的。稳定的自由基已通过共价键连接到其上,该共价键具有快速氧化和还原(充电和放电)的能力。使用我们的材料制成的电池将在几秒钟内完成充电—比锂离子电池快十倍。我们已经通过实验证明了这一点。但是,在现阶段,其容量落后于锂离子电池30%至40%。我们目前正在努力使其在保持充放电速度的同时增加容量指标。

圣彼得堡国立大学电化学教研室教授奥列格·列文

如今已经为新电池创建了负极—化学电流源的正极。新材料需要负极的配对,即正极,但这不一定要从零开始创建,我们可以选用现有的正极。它们共同构成一个体系,在某些领域可能很快就会取代锂离子电池。

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“新电池在需要快速充电或在低温中工作的情况下表现尤为明显。它的使用是绝对安全的—与当今普遍使用的钴电池不同,它不含有任何可能着火或爆炸的物体。而且新电池中可能导致危害环境的金属含量也少数十倍。我们的聚合物中含有少量镍,但比锂离子电池中的镍要少得多,”奥列格·列文说。

目前,科研人员正在为他们的发明申请专利。圣彼得堡国立大学将成为其版权拥有者。

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该项研究得到了俄斯科学基金会第 16-13-00038 基金的支持。