用海水储电的电池…UNIST以“半半材料”提升性能开发成功
Lee Dongwook教授团队开发出具备电导性和水下黏附力的半结晶粘结剂
提升海水电池寿命与能效…论文刊登于Energy Environ. Sci.
一种既能延长以海水储电的海水电池寿命，又能同时提升能量效率的材料已经被开发出来。
UNIST 能源化学工程系 Lee Dongwook 教授团队开发出一种兼具优异电导率和水下黏附力的半结晶（semi-crystalline）高分子粘结剂。
电池电极是由多种物质混合而成的复合结构，其性能取决于将这些物质牢固黏合在一起的粘结剂。尤其是海水电池需要在水中长时间运行，因此必须开发既具水下黏附力又能良好传导电流的粘结剂。
研究团队设计的半结晶粘结剂在同一种材料内部同时具有非晶区和结晶区结构，因此黏附力出色且导电性能优良。
高分子在其中规则排列形成的结晶区为电子提供了笔直移动的通道，从而提高电导率；而在非晶区，高分子链能够灵活运动，更容易与表面结合，从而提升黏附力。
应用该新型粘结剂后，与采用传统 PVDF 粘结剂的情况相比，寿命延长了 3.3 倍。传统 PVDF 粘结剂从初始运行起 120 小时内性能便急剧下降，而新粘结剂则证明了 400 小时以上的中期稳定性以及长达 1200 小时的长期寿命。
对反应效率产生影响的过电压也最多降低了 66%，在相同条件下，电池运行所需的能量更少。此外，可由放电从充电中实际输出的电能量提高了 26%，最大输出功率也增加了 96%。
研究团队通过对粘结剂结晶性、电导率和黏附力的分析与测量，阐明了这些性能提升的原因。分析结果显示，结晶区不仅为电子提供了如同直线高速公路般快速移动的通道，而且由于随机取向，形成了向多个方向延伸的电子传输路径。同时，优异的黏附力被分析为来自非晶区中粘结剂与金属催化剂颗粒之间形成的金属配位键合。
此次开发的粘结剂不含含氟化合物，因此作为应对欧盟全氟和多氟烷基物质（PFAS）监管的电动汽车电池材料，也具有潜在应用前景。欧盟因其环境持久性和对人体的有害性问题，正推进包括 PVDF 在内的全氟和多氟烷基化合物的分阶段禁用政策。
第一作者研究员 Hwang Junguk 表示：“本研究通过半结晶高分子的结构设计，克服了现有粘结剂的局限，证明了可以提升海水电池的性能”，并称“今后有望拓展应用到多种电子材料、水系金属电池以及能源存储系统中”。
水系金属电池是使用水基电解质、并以锂或钠等金属作为电极的电池。海水电池则是以海水作为电解质的一种水系金属电池。
本研究由 UNIST 能源化学工程系 Kang Seokju 教授、Lee Hyeonuk 教授、Kim Youngsik 教授、Ko Hyeonhyeop 教授以及半导体材料部件研究生院 Shin Taeju 教授共同参与完成，并得到了韩国研究财团中坚研究者支援项目、创造性挑战研究基础支援项目以及纳米与材料技术开发项目的资助。
研究成果已于 3 月 31 日发表在能源领域顶级权威学术期刊《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science，影响因子 32.4）上。
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