新型自組裝材料或將成為可回收電動汽車電池的關鍵

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據麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology）報道，今天的電動汽車熱潮，意味著明天將堆積如山的電子垃圾。盡管人們正在采取各種措施來改善電池回收利用，但許多電動汽車電池最終還是被填埋了。

麻省理工學院的一個研究小組希望通過一種新型自組裝電池材料來改變這種狀況，這種材料在浸入簡單的有機液體中時會迅速分解。

在《自然化學》（Nature Chemistry）雜志發表的一篇論文中，研究人員表明，這種材料可以作為固態電池中的電解質，并在幾分鐘內恢復到其原始分子成分。

這種方法提供了一種替代方法，避免將電池粉碎成難以回收的混合物質。由于電解質充當了電池的連接層，當新材料恢復到其原始分子形態時，整個電池就會解體，從而加速回收過程。

該論文的第一作者Yukio Cho博士說：“到目前為止，在電池行業，我們一直專注于高性能材料和設計，后來才嘗試弄清楚如何回收由復雜結構和難以回收的材料制成的電池。我們的方法是從易于回收的材料入手，然后研究如何使它們與電池兼容。從一開始就設計可回收的電池是一種新方法。”

與Yukio Cho一起撰寫該論文的還有博士生Cole Fincher、Ty Christoff-Tempesta博士、京瓷陶瓷教授Yet-Ming Chiang、客座副教授Julia Ortony、Xiaobing Zuo和Guillaume Lamour。

更好的電池

《哈利·波特》系列電影里有這樣一個場景：鄧布利多教授只需輕輕一揮手腕，念出一個咒語，就能清掃一所破敗的房子。Yukio Cho說，這個畫面在他小時候就縈繞在他的腦海里。（還有什么比這更好的清潔房間的方法呢？）當他看到奧托尼的演講，他談到如何改造分子，使它們能夠組裝成復雜的結構，然后再恢復到原來的形態時，他開始思考，這是否能被用來讓電池回收變得像變魔術一樣。

這將是電池行業的一次范式轉變。如今，電池的回收需要使用刺激性化學物質、高溫和復雜的工藝。

電池主要由三個部分組成：帶正電的陰極、帶負電的電極，以及在陰極和電極之間輸送鋰離子的電解質。大多數鋰離子電池中的電解質極易燃燒，并且會隨著時間的推移降解為有毒副產品，需要特殊處理。

為了簡化回收過程，研究人員決定制造一種更具可持續性的電解質。為此，他們研究了一類在水中自組裝的分子，稱為芳綸兩親分子（AAs），其化學結構和穩定性與凱夫拉纖維相似。

研究人員進一步設計了AAs，使其在每個分子的一端包含能夠傳導鋰離子的聚乙二醇（PEG）。當這些分子暴露于水中時，它們會自發形成納米帶，納米帶表面和基底均具有離子傳導性，并通過緊密的氫鍵模擬凱夫拉纖維的堅固性。

其結果是形成了一種機械穩定的納米帶結構，可以在其表面傳導離子。

圖形摘要。來源：《自然化學》

Yukio Cho解釋說：“這種材料由兩部分組成。第一部分是柔性鏈，它為鋰離子提供了‘巢穴’或‘宿主’，供其四處跳躍。第二部分是用于凱夫拉纖維的堅固有機材料成分，凱夫拉纖維是一種防彈材料。這些成分使整個結構保持穩定。”

當加入水中時，納米帶會自組裝形成數百萬個納米帶，這些納米帶可以熱壓成固態材料。

Yukio Cho說：“加入水中五分鐘后，溶液就變成了凝膠狀，這表明液體中形成了大量的納米纖維，它們開始相互纏繞。令人興奮的是，由于其自組裝特性，我們可以大規模生產這種材料。”

研究團隊測試了該材料的強度和韌性，發現它可以承受電池制造和運行過程中產生的壓力。他們還構建了一個固態電池單元，以磷酸鐵鋰為陰極，以鈦酸鋰為陽極，這兩種材料都是當今電池中的常見材料。

納米帶成功地在電極之間移動了鋰離子，但在快速充電和放電過程中，一種被稱為極化的副作用限制了鋰離子進入電池電極，與當今的黃金標準商用電池相比，這阻礙了其性能。

Yukio Cho說：“鋰離子確實可以沿著納米纖維移動，但將鋰離子從納米纖維轉移到金屬氧化物似乎是整個過程中最緩慢的環節。”

當他們將電池單元浸入有機溶劑中時，材料立即溶解，電池的各個部分脫落，以便于回收利用。Yukio Cho將這些材料的反應比作棉花糖浸入水中。

Yukio Cho說：“電解質將兩個電池電極粘合在一起，并提供鋰離子通道。因此，當你想回收電池時，整個電解質層可以自然脫落，然后你可以單獨回收電極。”

驗證新方法

Yukio Cho表示，這種材料是對“回收優先”方法的一個概念證明。

Yukio Cho還說：“我們不想說我們用這種材料解決了所有問題。我們的電池性能并不理想，因為我們只用這種材料作為紙張的整個電解質，但我們設想的是將這種材料用作電池電解質的一層。不必使用整個電解質來啟動回收過程。”

Yukio Cho還認為，通過進一步的實驗，該材料的性能還有很大的優化空間。

現在，研究人員正在探索將這些材料整合到現有電池設計中的方法，以及如何將這些想法應用到新的電池化學中。

Yukio Cho說：“說服現有供應商采取截然不同的做法非常困難。但隨著新電池材料在未來五年或十年內問世，在初期將其融入新設計中可能會更容易。”

Yukio Cho還認為，這種方法可以通過重復使用美國現有的電池材料來幫助鋰供應回流。

Yukio Cho還說：“人們開始意識到這一點的重要性。如果我們能夠開始大規模回收電池廢料中的鋰離子電池，其效果將與在美國開采鋰礦相同。此外，每個電池都需要一定量的鋰，因此根據電動汽車的增長推斷，我們需要重復使用這種材料，以避免鋰價格大幅飆升。”