约克大学团队利用廉价丰富材料取代钴 更环保

（图源：YORKU官网）

生产锂电池要用到锂和钴等有毒重金属，而开采和处理这些金属，会对环境造成不良影响。因此，有机材料被视为颇具发展前景的替代品。据外媒报道，加拿大约克大学（York University）的研究人员发现一种新方法，可以使锂电池更加环保，同时保持性能、稳定性和存储容量。

Thomas Baumgartner教授及其团队开发出一种新碳基有机分子，可以替代锂离子电池正极中使用的钴。这种新材料既能保持性能，又可以解决无机材料的缺陷。

实验用有机电极之前已经存在，诸如用碳、氮、氧、磷和硫等元素制成的电极。但是，均在不同程度上存在这样的问题：它们自身的氧化还原反应，会导致循环恶化，使其逐渐溶解到电解质中，而且导电性低，终端电压低。

研究小组选择一种名为紫罗碱（viologen）的化学物质，可以在不受损的情况下释放电子，甚至可以用两个电子达到同样的效果，因此存储容量更大。特别是，自定义电活性磷酰基桥接紫罗碱（PY2PV）的磷酰基部分，使其可以在较高的终端电压下工作，而不会失去容纳两个电子的能力。用来降低电极电阻的单壁碳纳米管（SWCNTs），也是电极的构成部分。

这项研究的新颖之处在于，将芘合成到电活性磷酰基桥接紫罗碱分子中。芘与 SWCNTs的亲和力很强，并通过物理吸附与之结合，形成PY2PV:SWCNT复合物。这种结合可以防止电活性磷酰基桥接紫罗碱溶解到电解液中，解决了上述常见有机电极问题。而且，这种结合可以形成紧密耦合，而不是简单的混合，从而促进紫罗碱分子和SWCNTs 之间的固态电子转移，同时不减少电子存储容量。研究团队证明，这种材料可以充放电500次，实现长期稳定运行。

Baumgartner表示：“由有机材料制成的电极，可以进行大规模生产、回收或处理，而且更加环保。我们的目标是制造出稳定的可持续性电池，具有同样甚至更好的容量。我们制造的这一类特殊分子，使电活性成分非常适合应用于电池，因为擅于储存电荷，而且具有良好的长期稳定性。我们对这种电活性成分进行优化，并将其置于电池中。它能够产生良好的电压，高达3.5V，这正是目前锂电池的工作电压段。这是向制造全有机可持续电池迈进的重要一步。”