迄今為止，只有 2% 的車輛實現了電氣化，但預計到 2030 年這一比例將達到 30%。

提高電動汽車 (EV) 商業化的關鍵是提高它們的重量能量密度——以每公斤瓦時為單位——使用更安全的，易于回收的材料豐富。與現有的選擇（例如 240 Wh/kg 的石墨）相比，陽極中的鋰金屬被認為是提高 EV 電池能量密度的“圣杯”，以達到更具競爭力的 500 Wh/kg 能量密度。

休斯頓大學卡倫工程學院電子與計算機工程系卡倫教授 Yan Yao 和休斯敦大學博士后 Jibo Zhang 正在與萊斯大學的同事一起迎接這一挑戰

在6月17日發表在《Joule》雜志上的一篇論文中，Zhang, Yao和他們的團隊證明了通過使用溶劑輔助過程來改變電極微結構，有機固態鋰電池的能量密度提高了兩倍。

美國密歇根大學的陳朝陽、郝芳、梁艷亮、艾青、美國萊斯大學的唐基·特里爾、郭華、婁軍共同撰寫了論文。

通過顯著提高活性材料的利用率，溶劑輔助微結構將電極能量密度提高到 300 Wh/kg，而干混微結構的能量密度略低于 180 Wh/kg。圖片來源：休斯頓大學

“我們正在開發低成本、地球豐富、無鈷的有機陰極材料，用于固態電池，將不再需要在礦山中發現的稀有過渡金屬，”Yao說?！斑@項研究在使用這種更可持續的替代能源提高電動汽車電池能量密度方面向前邁進了一步。” Yao 也是德州大學超導中心(TcSUH)的首席研究員。

任何電池都包括一個陽極（也稱為負極）和一個陰極（也稱為正極），它們在電池中由多孔膜隔開。鋰離子流過離子導體——一種電解質，它允許電子充電和放電，從而產生電力，例如，一輛汽車。

電解質通常是液體，但這不是必需的——它們也可以是固體，這是一個相對較新的概念。這種新型電池與鋰-金屬陽極相結合，可以防止短路，提高能量密度，并加快充電速度。

陰極通常決定電池的容量和電壓，由于使用鈷等稀有材料，陰極隨后成為電池中最昂貴的部分——到 2030 年將達到 65,000 噸的缺口。鈷基陰極由于其優異的性能，幾乎專門用于固態電池；直到最近，有機化合物鋰電池 (OBEM-Li) 才成為一種更豐富、更清潔、更易于回收的替代品。

“在美國，人們對鋰離子電池的供應鏈有很大的擔憂，”Yao說?！霸谶@項工作中，我們展示了通過用從煉油廠或生物煉油廠獲得的有機材料，替換基于過渡金屬的陰極來構建高能量密度鋰電池的可能性，這兩者都是美國擁有世界上最大的產能。”

鈷基陰極可以產生800 Wh/kg的材料級比能量，或電壓乘以容量，OBEM-Li電池也是如此，該團隊在早期的論文中首次證明了這一點，但之前的OBEM-Li電池由于非理想的陰極微結構，只能使用低質量分數的活性材料。這限制了總能量密度。

Yao 和 Zhang 揭示了如何通過優化陰極微觀結構以改善陰極內的離子傳輸來提高 OBEM-Li 電池的電極級能量密度。為了做到這一點，我們使用了一種常見的溶劑——乙醇來改變微結構。使用的有機陰極是芘-4,5,9,10-四酮或PTO。

“鈷基陰極通常受到青睞，因為其微觀結構自然是理想的，但在有機基固態電池中形成理想的微觀結構更具挑戰性，”Zhang說。

在電極層面上，通過顯著提高活性材料的利用率，溶劑輔助微結構的能量密度提高到300 Wh/kg，而干混合微結構的能量密度略低于180 Wh/kg。以前，活性物質的量可以增加，但利用率仍然很低，接近50%。在Zhang的貢獻下，利用率提高到98%，能量密度也隨之提高。

“最初我正在檢查 PTO 的化學性質，我知道它會氧化硫化物電解質，”Zhang說?！斑@引發了關于我們如何能夠利用這種反應的討論。我們與萊斯大學的同事一起研究了陰極-固體電解質界面的化學成分、空間分布和電化學可逆性，這可以為我們提供線索，解釋為什么電池可以如此良好地循環，而沒有容量衰減，”Zhang說。

在過去十年中，電動汽車電池的成本下降到其原始成本的近 10%，使其具有商業可行性。所以，十年內可以發生很多事情。這項研究是朝著更可持續的電動汽車邁出的關鍵一步，也是未來十年研究的跳板。按照這個速度，也許就像委婉的字面意思一樣，另一邊的未來看起來要綠色得多。

文章來源：ednchina

編輯：ymf