據(jù)外媒報(bào)道，日本高級(jí)科學(xué)和技術(shù)研究所（JAIST）利用生物基聚合物制造穩(wěn)定的負(fù)極材料，可以極大地加快電動(dòng)汽車充電速度。
（圖片來源：phys.org）
隨著氣候變化日益嚴(yán)重，越來越多的研究人員致力于提升電動(dòng)汽車的性能，以取代傳統(tǒng)燃油汽車。其中改良電池是一個(gè)關(guān)鍵問題，除了安全、耐用等，大多數(shù)人都希望加快充電速度。目前，領(lǐng)先的電動(dòng)汽車充電約需40分鐘，而燃油車輛的加油時(shí)間不超過5分鐘。因此，將充電時(shí)間降至15分鐘以下，才稱得上是可行性選擇。
在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，鋰離子電池得到廣泛應(yīng)用。提高鋰離子的擴(kuò)散速度，可以縮短鋰離子電池的充電時(shí)間。這可以通過增加電池負(fù)極中使用的碳基材料的層間距離來實(shí)現(xiàn)。雖然通過引入氮雜質(zhì)(技術(shù)上稱為氮摻雜)已取得了一些成功，然而目前還沒有一種能夠輕松控制層間距離或濃縮摻雜元素的方法。
JAIST的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種負(fù)極制造方法，使鋰離子電池能以極快的速度充電。研究人員利用相對簡單、環(huán)保、高效的方法，制造氮含量非常高的碳基負(fù)極。負(fù)極的前體材料是聚（苯并咪唑），這是一種生物基聚合物，可以利用生物源原料合成。該團(tuán)隊(duì)在800°C的溫度下煅燒這種熱穩(wěn)定材料，以制備碳負(fù)極，其中氮含量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的17%。研究人員已成功驗(yàn)證合成這種材料，并利用掃描電子隧道顯微鏡、拉曼光譜和X射線光電子能譜等多種技術(shù)，分析其構(gòu)成和結(jié)構(gòu)性能。
為了測試這種負(fù)極的性能，并與更常見的石墨材料進(jìn)行比較，研究人員制造了半電芯和全電芯，并進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，由于鋰離子動(dòng)力學(xué)性能增強(qiáng)，這種負(fù)極材料適合快速充電。此外，耐久性測試表明，采用這種負(fù)極材料的電池，經(jīng)過3000次高速率充放電循環(huán)后，仍能保持約90%的初始容量，遠(yuǎn)高于石墨基電芯的容量。研究人員表示，這種負(fù)極材料的充電速度極快，使其適用于電動(dòng)汽車。充電時(shí)間縮短，將促進(jìn)消費(fèi)者選擇電動(dòng)汽車，而不是燃油汽車，從而使環(huán)境更加清潔。
這種負(fù)極材料的另一優(yōu)勢是，在其合成過程中使用生物基聚合物。作為一種低碳技術(shù)，這種材料自然會(huì)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步減少CO2排放。此外，研究人員表示，采用這種方法，將推進(jìn)對具有快速充放電能力的負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的研究。
調(diào)整聚合物前體的結(jié)構(gòu)，有望提升材料性能。除了電動(dòng)汽車的電池，這種材料也適用于便攜式電子產(chǎn)品。此外，開發(fā)高耐久性電池，有利于減少使用稀有金屬，這是不可再生的資源。
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