新型聚合物电池诞生 充电速度比锂离子电池快10倍

很难想象我们的日常生活中没有锂离子电池。它们主导了便携式电子设备的小规格电池市场，也普遍用于电动汽车。与此同时，锂离子电池也存在一些严重的问题，包括：在低温下存在潜在的火灾隐患和性能下降；以及废旧电池处理对环境的影响相当大。

据俄罗斯一研究团队的领头人、圣彼得堡大学电化学系教授奥列格·列文介绍，化学家们一直在探索将氧化还原活性的含硝基基聚合物作为电化学储能材料。这些聚合物的特点是能量密度高，由于快速氧化还原的动力学，这种聚合物电池充电和放电速度快。但具体实施到产品中时，面临的一个挑战是电导率不足，这阻碍了电荷的收集，即使使用高导电性的添加剂，如碳也难以解决问题。

圣彼得堡大学的研究人员为了寻找解决这个问题的方法，合成了一种基于镍硒复合物（NiSalen）的聚合物。这种金属聚合物的分子就像一根分子线，将能量密集的硝酰垂体连接在上面。该材料的分子结构使其能够在较宽的温度范围内实现高电容性能。

‘我们在2016年提出了这种材料的概念。当时，我们开始开发一个基础项目 “基于有机金属聚合物的锂离子电池电极材料”。该项目得到了俄罗斯科学基金会的资助。在研究这一类化合物的电荷传输机制时，我们发现有两个关键的发展方向。首先，这类化合物可以作为保护层，覆盖在电池的主导体电缆上，否则就会用传统的锂离子电池材料制成。其次，它们可以作为电化学储能材料的活性成分，”Oleg Levin解释说。

这种聚合物的研发花了三年多的时间。在第一年，科学家们对新材料的概念进行了测试：他们将各个成分结合起来，以模拟导电的主干和具有氧化还原活性的含硝基氧基的垂体。必须确保该结构的所有部分都能相互配合与加强。下一阶段是化合物的化学合成。这是项目中最具挑战性的部分。这是因为有些成分极为敏感，即使是科学家最轻微的错误也可能导致样品的降解。

在获得的几种聚合物试样中，只有一种试样是足够稳定和高效的。新化合物的主链是由镍与Salen配体的复合物形成的（Salen这个名字是由水杨醛（salicylaldehyde）和乙二胺（ethylenediamine，en）组合而成）。一种能够快速氧化和还原（充放电）的稳定自由基通过共价键与主链相连。

‘使用我们的聚合物制造的电池可以在几秒钟内完成充电–比传统的锂离子电池快10倍左右。这一点已经通过一系列实验得到了证明。但是，现阶段，它的容量仍然落后–比锂离子电池低30-40%。Oleg Levin说：”我们目前正在努力改善这一指标，同时保持充放电速率。

新电池的阴极已经制造完成，用于化学电流源的正极。现在我们需要负极，事实上，它不需要从头开始制作，可以从现有的电极中选择。它们搭配在一起将形成一个系统，在某些领域，可能很快就会取代锂离子电池。

‘新电池能够在低温下工作，在快速充电需求高的地方，它将是一个很好的选择。它使用起来很安全，没有任何可能构成燃烧危险的物质，不像现在普遍使用的钴基电池。它所含的可能对环境造成危害的金属也大大减少。Oleg Levin说：”我们的聚合物中含有少量的镍，但比锂离子电池中的镍含量少得多。