客观日本

混合两种有机物,可大幅提高锂电特性

2019年12月13日 化学材料

日本关西学院大学与大阪大学组成的研究团队发现,在采用有机物作为电极材料的锂离子电池中,混合两种有机分子的电极材料其特性远远高于只使用其中一种的电极。

锂离子电池具备非常高的能量密度,因此被广泛应用于智能手机等各种产品。不过,锂离子电池的正极材料一般使用钴等稀有金属,业界正在广泛探索采用成本更低的有机物的电极材料。

目前,大量有机材料被作为候选正极材料进行了研究,该研究团队通过以1:1的比例混合两种单独使用时特性均比较低的有机分子,成功地大幅提高了其作为电极材料的特性。研究人员认为其原因是,通过混合两种分子,能合理形成锂离子可以进出的“缝隙”。另外还发现,通过混合两种有机物,材料的稳定性也得到提高。

作为锂离子电池的电极材料,研究团队此次混合的两种有机分子是中心携带正电荷的圆盘状有机分子和携带负电荷的圆盘状有机分子,开发了名为电荷转移络合物的材料,研究发现,这种混合物作为电极材料的特性较单一有机分子有了大幅提高。

研究人员认为其原因是,有机分子集成的晶体中形成了锂离子扩散的路径。如图1所示,采用单一的有机分子时,分子之间的电荷会相互排斥,形成紧密的结构。而本次研究发现,通过以1:1的比例混合携带不同符号电荷的分子,形成了两种圆盘状分子交互堆叠的圆柱状结构,圆柱与圆柱之间的缝隙中可以吸入各种分子。另外,研究团队还利用电荷转移络合物所具备的这种缝隙,成功开发了锂离子能高速进出的大容量电极材料。

混合两种有机物,可大幅提高锂电特性

图1:两种分子形成的缝隙与分子携带的电荷的分布。正电荷用蓝色,负电荷用红色表示。可以看出,两种分子中心的电荷是相反的。

另外还确认,由于正负电荷之间的强相互作用,抑制了电荷转移络合物在电解液中的溶解。研究团队还利用大阪大学的计算机,成功估算了这种相互作用的能量。

此次的成果证明,将两种电极特性很低的有机物混合,就能大幅提高电极材料的特性,这表明,以前被认为特性很差的有机分子也可能作为优异的电极材料使用,有望作为新方法得到广泛利用。

相关研究论文已于2019年11月30日发表在英国皇家化学学会发行的科学期刊《化学科学》(Chemical Science)的网络版上。

<论文信息>
题目:“A new design strategy for redox-active molecular assemblies with crystalline porous structures for lithium-ion batteries”
DOI:10.1039/C9SC04175C

日文新闻发布全文

文:JST客观日本编辑部翻译整理

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