与刚刚低于180 Wh/ kg的干混微结构相比，溶剂辅助微结构通过显著提高活性材料的利用率，将电极能量密度提高到300 Wh/ kg。信用:休斯顿大学迄今为止只有2%的车辆被认证，但预计到2030年将达到30%。提高电动汽车商业化的一个关键是提高它们的重量能量密度——以瓦特小时/千克来衡量——使用更安全、更容易回收的丰富材料。阳极中的锂金属被认为是提高电动汽车电池能量密度的“圣杯”，与石墨等现有选项相比，前者的能量密度为240瓦时/千克，后者的能量密度为500瓦时/千克。休斯顿大学卡伦工程学院电气和计算机工程教授姚彦和UH博士后张继波正与莱斯大学的同事们一起迎接这一挑战。在6月17日Joule发表的一篇论文中，张、姚和他的团队证明了通过使用溶剂辅助工艺改变电极微结构，有机基固态锂电池的能量密度提高了两倍。该论文由UH的陈昭阳、、梁彦良、、唐家义、李尔、和莱斯大学的楼军合著。
“我们正在为固态电池开发低成本、富含地球、无钴的有机基阴极材料，不再需要在矿山中发现的稀有过渡金属，”姚说。“这项研究是使用这种更可持续的替代品提高电动汽车电池能量密度的一个进步。”姚还是德州超导中心的首席研究员。
任何电池都包括阳极(也称为负电极)和阴极(也称为正电极)，它们在电池中由多孔膜隔开。锂离子流过离子导体——一种电解质，它允许电子的充电和放电，例如，为车辆发电。
电解质通常是液体，但这不是必须的——它们也可以是固体，这是一个相对较新的概念。这种新颖的设计与锂金属阳极相结合，可以防止短路，提高能量密度，加快充电速度。
阴极通常决定电池的容量和电压，随后由于使用像钴这样的稀缺材料，阴极成为电池中最昂贵的部分——预计2030年将达到65，000吨的短缺。钴基阴极由于其优异的性能几乎只用于固态电池；直到最近，基于有机化合物的锂电池(-Li)才作为一种更丰富、更清洁、更容易回收的替代品出现。
姚说:“人们对美国锂离子电池供应链的担忧很大。“在这项工作中，我们展示了通过用从炼油厂或生物炼制厂获得的有机材料代替过渡金属基阴极来制造高能量密度锂电池的可能性，美国在这两个地方的产能都是世界上最大的。”
钴基阴极产生800 Wh/kg的材料级比能，或电压乘以容量，正如OBEM-锂电池一样，这是该团队在其早期出版物中首次展示的，但由于非理想的阴极微结构，以前的OBEM-锂电池仅限于低质量分数的活性材料。这是总能量密度的上限。
姚和张揭示了如何通过优化阴极微结构来改善阴极内的离子传输，从而提高锂电池的电极级能量密度。为此，使用一种熟悉的溶剂——乙醇来改变微结构。使用的有机阴极是芘-4，5，9，10-四酮或PTO。
“钴基阴极通常受到青睐，因为微结构自然是理想的，但在有机基固态电池中形成理想的微结构更具挑战性，”张说。
在电极水平上，溶剂辅助微结构通过显著提高活性材料的利用率，将能量密度提高到300瓦时/千克，而干混微结构仅低于180瓦时/千克。以前，活性物质的量可以增加，但利用率仍然很低，接近50%。在张的贡献下，利用率提高到98%，并导致更高的能量密度。
“最初我在检查PTO的化学性质，我知道这会氧化硫化物电解质，”张说。“这引发了一场关于我们如何利用这种反应的讨论。我们与莱斯大学的同事一起，研究了阴极-固体电解质界面的化学成分、空间分布和电化学可逆性，这可以为我们提供线索，说明为什么电池可以如此良好地循环而不会发生容量衰减，”张说。
在过去的十年里，电动汽车电池的成本下降到原始成本的近10%，这使得它们在商业上可行。所以，十年内会发生很多事情。这项研究是迈向更可持续电动汽车的关键一步，也是未来十年研究的跳板。照这样下去，也许就像字面上委婉地说的那样，另一边的未来看起来更加绿色。
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