MIT团队合成新型电化学储能材料，实现高功率、高容量的电荷储存

2023-08-20 18:32:19 来源：腾讯网小 中

如今，为了应对气候变化和响应国家政策，社会各行各业都在积极落实生产生活的低碳减排。其中，降低交通领域和电网储能领域的碳排放量尤为重要。

而大力发展电化学储能系统，比如常见的锂离子电池或超级电容器，是推进上述领域实现低碳减排的一条重要路径。

【资料图】

目前，商业可得的锂离子电池和超级电容器，有着各自的优缺点。前者的能量密度较高，功率密度较低，因此虽然可以储存大量的能量，但充放电非常耗费时间。后者则相反，虽然能够在极短的时间内完成充放电，但其所能储存的能量却比锂离子电池少得多。

因此，合成同时具备高容量密度和高功率密度的电化学储能材料是该领域的众多科研人员孜孜以求的目标。

近期，来自美国麻省理工学院的研究团队，合成了一类有机的稠合芳香族材料，在一小时左右的充/放电条件下具有 310mAhg-1 的容量，并且在短至 33 秒的充/放电时间内仍显示出高达 220mAhg-1 的容量，达到电化学储能领域追求的目标性能。

同时，由于组成该材料的碳、氢、氧、氮元素在地球上的储量非常丰富，因此预测能够以较低的成本进行生产，有望解决该领域一直存在的高性能“材料荒”的问题。

具体来说，在相同的充放电速度下，该材料的储存容量，是现在流行的锂离子电池正极材料的两倍左右；在相同的储存容量下，该材料的充放电时间是锂离子电池正极材料的 1/10 至 1/100。

图丨高密度、高容量电化学储能（来源：Joule）

2023 年 5 月 17 日，相关论文以《富含氢键的稠合芳烃中的高密度、高容量电化学储能》（High-rate, high-capacity electrochemical energy storage in hydrogen-bonded fused aromatics）为题在 Joule 上发表[1]。

图丨相关论文（来源：Joule）

麻省理工学院博士研究生陈天阳和哈里什·班达（Harish Banda）博士（现为美国德克萨斯大学埃尔帕索分校化学助理教授）为该论文的共同第一作者，麻省理工学院米尔恰·丁卡（Mircea Dincă）教授担任论文的通讯作者。

图丨团队合照：左为陈天阳博士；右为 Mircea Dincă 教授（来源：陈天阳）

据陈天阳介绍，其所在的实验室长期从事电化学储能领域的研究。此前，团队成员已经在超级电容器材料的合成与应用领域深耕多年。

他表示，从发现该材料到最终确定材料的性能，中间经历了许多波折。探明材料的结构，是他们面临的首要挑战。

“我们合成出了材料，但起初并不清楚它的结构，这就很难对它进行更进一步的研究。”陈天阳说。

为了验证该材料的结构，他曾先后三次对其结构进行了假设，但无一例外最后都被实验证实是错误的。最后，他和团队成员借助三维电子衍射的方法，测出了该材料的单晶结构。由于陈天阳所在的实验室已经建成了一套相对成熟的电化学储能测试的研究步骤，所以之后的研究就顺利许多。

与此同时，他也表示：“该材料的结构和我们想象的完全不一样，我觉得这是在科研上得到的一个惊喜。当你在孜孜不倦地追求一个科学真理或科学问题时，有可能会犯各种各样的错误，但只要坚持下去，一定会得到想要的结果，甚至会高于自己的期望。”

研究过程中，该团队还发现了其他不曾预想到的结果。比如，该材料的储能性能会对电解质的 pH 值产生很大的依赖性，而这一点并不常见。

陈天阳解释道：“我们发现，只有在低 pH 值或高 pH 值的条件下，材料才能发挥出最优异的性能。不过，需要说明的是，即便是在中性的电解质里，材料的储能容量也已经超过了现有锂离子电池材料。”

基于该材料的性能，其在未来有望于两个方面得到应用。

第一，与现有的锂离子电池相结合，应用于一些需要快速充电的场景。

第二，该材料使用水系的电解质，不会发生自燃，从安全性角度来看，能够被用于家用的蓄电池系统。

据了解，目前该材料已经实现了在实验室内的批量化制备。不仅如此，陈天阳所在的实验室也正在联合工业界的合作伙伴，尝试在工业范围内进行生产，并已完成了相关专利的申请。

关于后续的研究计划，该团队也正在紧锣密鼓地进行中。一方面，将材料应用到锂离子电池中，实现在储存相同能量的条件下，比现在商业可得的锂离子电池快 5 至 10 倍的充放电速度。目前，相关研究已基本完成，论文成果即将被投稿。另一方面，他们也打算采用锂之外的金属进行电池的制备，比如钠金属，并希望能够制备出与锂离子电池性能相同的钠离子电池。

参考资料：

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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