新电池研究可能会产生完全由聚合物材料制成的高性能电池

有机自由基聚合物电池

新电池研究可能会产生完全由聚合物材料制成的高性能电池。

在过去的二十年中，锂离子电池已成为主导的电化学存储系统。手机，个人电子产品，电动汽车(EV)和大规模电网是受益于商用锂离子电池的高能量容量和良好功率性能的应用。

目前的锂限量

尽管锂离子电池占据主导地位，但它们具有一些限制其功能的特性。如果锂离子电池以较快的速率充电(大于1C，或在一小时内充满电，则会出现严重问题)。大规模接受电动汽车的一个绊脚石是为电池充电所需的时间。因此，电池研究人员正在研究可以促进更快锂离子电池充电的替代材料。

嵌入式软件工程师的机器学习

人工智能长期以来一直是开发人员从事高性能计算和基于云的系统的工具。人工智能改变了网络监控方式，电子邮件扫描方式，甚至是我们与手机和设备交互的方式。虽然AI和机器学习总是感觉像是一个生活在实时嵌入式系统之外的遥远工具，但机器学习正在基于微控制器的系统中实现，事实上，它已经存在!

在商用锂离子电池中，阴极由可以存储带正电荷的锂离子的金属氧化物的组合制成。当电池充电时，这些锂离子从阴极通过液体电解质转移到由石墨材料制成的电池的阳极。在放电时，锂离子被转移回阴极，同时释放出可用于为器件供电的电子。

有机自由基聚合物

一种能够更快地充电锂离子电池的阴极材料是一类称为有机自由基聚合物的聚合物。由于附着于聚合物链的侧链基团的可逆还原 - 氧化(氧化还原)反应，这些分子具有电化学活性。德克萨斯A&M大学教授Jodie L. Lutkenhaus博士一直在研究一种完全由聚合物制成的电池，这项工作在德克萨斯A&M新闻发布中有所描述。

它们的化学结构使有机自由基聚合物非常稳定和具有反应性。它们在基团上具有单个电子，并且该未配对的电子允许在氧化还原反应期间在这些聚合物中快速电荷转移。根据Lutkenhaus的说法，这类聚合物的主要吸引力在于反应的速度。“这些聚合物非常适合用于电池，因为它们可以比手机或类似设备中的任何普通电池更快地充电和放电。这种快速充电可能会极大地改变现今电动汽车的使用方式，”她说。由有机自由基聚合物制成的电池可能以高达50℃的速率充电，超过1,000次循环。

一种衡量运输的新方法

有机基聚合物的还原和氧化反应性质已知有一段时间了，使用这一概念的电池最早于2005年开发。然而，在Lutkenhaus的研究之前，电子和离子通过聚合物传输的确切机制已经尚未确定 - 这些反应发生的规模和速度使得难以可靠地捕获数据。

为了研究这种运输，德克萨斯A&M团队成员能够使用专用设备捕获非常详细的测量结果，这是一种带有耗散监测的电化学石英晶体微量天平(EQCM-D)。“当我们对聚合物进行充电和放电时，我们实际上正在对它进行称重，因此我们确切地知道它的重量甚至低至纳克级精度。该装置非常灵敏，我们可以测量进出有机自由基聚合物的离子，“Lutkenhaus解释道。根据新闻稿，在此研究之前，共识是在此过程中只传输阴离子(电子)。然而，EQCM-D结果表明锂离子也被运输。此外，离子的行为和传输似乎比聚合物本身更依赖于电解质。聚合物和电解质的相互作用是Lutkenhaus计划进一步研究的领域，其最终目标是完全由聚合物制成的电池。

高级编辑凯文克莱门斯30多年来一直在撰写有关能源，汽车和交通主题的文章。他拥有材料工程和环境教育硕士学位以及机械工程博士学位，专攻空气动力学。他在他的工作室里建立了几个关于电动摩托车的世界陆地速度记录。