高能量密度聚合物阴极 用于快速充电的钠和多价离子电池

下一代电池可能会看到锂离子被更丰富且对环境无害的碱金属或多价离子替代。然而，主要的挑战是开发稳定的电极，该电极将高能量密度与快速充电和放电速率结合在一起。在《Angewandte Chemie》杂志上，美国和中国科学家报告了一种由有机聚合物制成的高性能阴极，可用于低成本，对环境无害且耐用的钠离子电池。

锂离子电池是便携式设备，能量存储系统和电动汽车的最新技术，其开发已获得今年的诺贝尔奖。尽管如此，下一代电池有望提供更高的能量密度，更好的容量以及使用更便宜，更安全，更环保的材料。人们最探索的新型电池采用与锂电池基本相同的摇椅充放电技术，但是锂离子被廉价的金属离子(例如钠，镁和铝离子)取代。不幸的是，这种替代带来了电极材料的重大调整。

有机化合物作为电极材料是有利的，因为有机化合物之一不包含有害且昂贵的重金属，并且它们可以适应不同的目的。它们的缺点是它们溶解在液体电解质中，这使电极固有地不稳定。

王春生和他来自美国马里兰大学的团队以及一个国际科学家团队已经推出了一种有机聚合物，它是一种高容量，快速充电且不可溶的电池正极材料。这项研究表明，对于钠离子而言，该聚合物在容量传递和保留方面的性能优于目前的聚合物阴极和无机阴极，对于多价镁和铝离子而言，该数据也并不落后。

作为一种合适的阴极材料，科学家们确定了已经在锂电池和超级电容器中进行过测试的有机化合物六氮杂萘(HATN)，它在其中可以作为高能密度阴极，可以快速嵌入锂离子。但是，像大多数有机材料一样，HATN溶解在电解质中，使阴极在循环过程中不稳定。科学家们解释说，现在的诀窍是通过在单个分子之间引入联系来稳定材料的结构。他们获得了一种称为聚合HATN或PHATN 的有机聚合物，该聚合物可提供快速的反应动力学并具有钠，铝和镁离子的高容量。

组装电池后，科学家使用高浓度电解质测试了PHATN 阴极。他们发现非锂离子具有出色的电化学性能。这组作者报道说，钠电池可以在高达3.5伏的高压下工作，即使在50,000次循环后仍可以保持每克100毫安小时以上的容量，而相应的镁和铝电池也紧随这些竞争价值之后。

研究人员设想这些聚合的吡嗪基阴极(吡嗪是HATN所基于的有机物质;它是一种具有水果味的芳香族苯甲样，富氮有机物质)，可用于对环境有益的，高能量的，高密度，快速和超稳定的下一代可充电电池。

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