目前的三元电池所含有的钴是一种昂贵的且环境和社会成本都很高的金属。麻省理工学院的新闻网站称，该学院的研究人员现在已经设计出一种基于有机材料的阴极电池材料，以更具有可持续的方式为电动汽车提供动力。新的锂离子电池采用基于有机材料的阴极，不含钴或镍。

这种非钴非镍的有机材料生产成本比含钴电池低得多，而导电速率与钴电池类似，还可以比钴电池更快地充电。

麻省理工学院W.M.Keck能源教授Mircea Dinc?说，这种材料工艺已经可以与现有的技术竞争，能节省大量成本，并减少开采镍钴金属相关的环境问题。

Dinc?是该研究项目的资深作者，这项研究*近被发表在ACS Central Science杂志上。23级博士生Tianyang Chen和前麻省理工学院博士后Harish Banda是该论文的主要作者。其他作者包括麻省理工学院博士后Jiande Wang，麻省理工学院研究生Julius Oppenheim，以及博洛尼亚大学研究员亚历山德罗·弗朗西斯基(Alessandro Franceschi)。

钴的替代品

目前大多数三元锂离子电池的阴极含有钴，钴是一种具有高稳定性和高能量密度的金属。然而，钴有很大的缺点。作为一种稀有金属，其价格波动幅度很大，而且世界上大部分钴矿床都位于政治不稳定的国家。钴的提取会造成危险的工作条件，并产生有毒废物，污染矿山周围的土地、空气和水。

麻省理工学院W.M.Keck能源教授Mircea Dinc?说，钴电池可以储存大量能量，可以显著提升电池性能，但这种材料无法广泛使用，成本高，价格波动大，相应的，钴电池会推高电动汽车价格，不利于电动汽车的推广。由于钴的这些缺点，磷酸铁锂作为替代品，成为更普及的阴极材料，但磷酸铁锂电池的能量密度只有三元电池的一半左右。

有机材料成为另外一种选择。但到目前为止，市场上采用的有机材料大多数都无法与钴电池的电导率、存储容量和寿命相匹配。由于导电性低，此类材料通常需要与聚合物等粘结剂混合以便保持导电网络。粘结剂至少占总材料的50%，这降低了电池的存储容量。

大约六年前，Dinc?的实验室开始开展一个由兰博基尼资助的项目，开发一种可用于为电动汽车提供动力的有机电池。在研究部分有机和部分无机的多孔材料时，Dinc?和他的学生意识到，他们制造的完全有机材料似乎是一种强导体。

这种材料由多层TAQ(双四氨基苯醌-bis-tetraaminobenzoquinone)组成，TAQ(双四氨基苯醌)是一种有机小分子，包含三个稠合的六方环。这些层可以向各个方向向外延伸，形成类似于石墨的结构。分子内有称为醌(quinone)的化学基团，它们是电子储存库，胺(amines)有助于材料形成强氢键。

这些氢键使材料高度稳定且非常不溶。这种不溶性很重要，因为它可以防止材料像某些有机电池材料那样溶解到电池电解液中，从而延长其使用寿命。

“有机材料如果溶解到电解液种并进入到电极的另一侧，就会发生短路。如果使用的有机材料完全不溶于电解液，就可以避免短路。我们进行了超过2000次充电循环，这种材料的溶解*小，“Dinc?说。

性能强劲

对这种材料的测试表明，其电导率和存储容量与传统的含钴电池相当。此外，带有TAQ阴极的电池可以比现有电池更快地充电和放电，这可以加快电动汽车的充电速度。

为了稳定有机材料并增加其在电池集流体(铜箔/铝箔)上的粘附能力，研究人员添加了纤维素和橡胶等填充材料。这些材料占整个阴极复合材料的不到十分之一，因此不会显着降低电池的存储容量。

这些填充材料还可以防止电池阴极在电池充电锂离子进入时发生破裂，从而延长电池阴极的使用寿命。

制造这种阴极所需的主要材料是醌前驱体(quinone precursor)和胺前驱体(amine precursor)，这些材料都已经商业化，已经成为大宗化学品。研究人员估计，制造这类有机电池的材料成本可能只是钴电池成本的三分之一到二分之一。

兰博基尼已获得该技术的专利许可。Dinc?的实验室计划继续开发替代电池材料，并正在探索用钠或镁替代锂的可能性，因为钠或镁比锂更便宜、更丰富。