作為充電電池,鋰電池和鈉電池已成為不可或缺的產品,但它們有成本高、壽命短、性能不穩定等缺點。為解決這些問題,日本的科學家研發出一種新型聚合物基黏合劑,可大大改善電池性能。
儘管鋰電池(LIB)一直佔領充電電池領域,但它的缺點使人們不得不尋找其替代品。長期以來,人們一直試圖用鈉電池(SIB)替代鋰電池,因為鈉在自然界中含量豐富,具有成本低、較高的電化學潛力。但鈉電池也有缺點,就是其穩定性不好。
目前人們使用便宜的碳材料,作成鋰電池和鈉電池的陽極。這些陽極主要靠傳統的聚偏二氟乙烯(PVDF)和苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR)聚合物黏合。不過,這些聚合物屬於非離子導電的黏合劑,無法有效傳輸鋰離子和鈉離子,極大限制了電池的容量比、充電速度和循環壽命。
這次日本北陸先端科學技術大學(Japan Advanced Institute of Science and Technology, JAIST),研製出一種新型密集功能化聚離子液體(DFPIL)黏合劑。他們把含有大量水溶性聚合物PMAI(由多個氧羰基亞甲基1-烯丙基-3-甲基咪唑合成)的黏合劑與電池陽極結合後,發現可明顯改善陽極使用PVDF時的不足。
研究人員分別在LIB電池的陽極石墨、SIB電池的陽極硬碳黏合劑中,加入新型PMAI材料,並對這些電極進行電化學、循環充放電測試,同時用橫斷面影像觀察電極的內部變化。
結果顯示,LIB基於PMAI的電池陽極部分在1庫倫(1安培電流在1秒鐘內傳遞的電荷量)時,表現出297mAh/g的電池容量,而LIB使用傳統的PVDF材料時,其電池容量只有228mAh/g。此外,SIB電池陽極在使用PMAI之後,其電池容量比使用PVDF材料增加了近30%。
另外,LIB和SIB也都表現出了出色的循環穩定性。LIB在使用PMAI的情況下,經過750次循環充放電,其電池最大容量保持率約80%,但使用時PVDF材料只有72%;而SIB在經過200次循環後,其容量保持率有96%,但使用PVDF材料則只有88%。
這說明兩者在PMAI材料影響下,表現出優異的電化學性能和高容量。性能的提升與PMAI強力附着在活性材料和銅箔上使其有穩定電化學性能有關,並緩解石墨電極在多次充放電後形成的膨脹。
另外,實驗人員透過儀器發現,含有PMAI聚合物的黏合劑,裏面的構造密集排列,形成許多利於鈉和鋰離子穿梭的通道,讓這些離子們能夠在碳、石墨層中進行良好的穿越,這能降低電阻也增強離子的電導率和電池容量比。
這些結果足以證明,使用PMAI聚合物的LIB和SIB,具有良好的實際應用潛力,未來有望可以應用到更多的充電電池上面。
當被問到是什麼讓這種新材料與眾不同時,北陸先端科學技術大學的堀木松美(Noriyoshi Matsumi)教授對該校新聞室表示,「全球對能夠快速充放電的電池需求增加,因此急需要解決鈉電池中鈉離子擴散緩慢的問題。這種含有緻密離子液體的聚合物基黏合劑,可以有效解決鈉電池存在的問題。」
他解釋,「新型聚合物(離子液體)是一類新型材料,且已針對儲能設備、生化應用、感測應用、催化等應用進行了深入研究。我們所開發的新型聚合物在上述各個研究領域具有潛在的用途。」
該項研究成果於9月12日發表在《先進能源材料》上。