休斯敦大学Cullen工程学院电子与计算机工程教授姚岩和休斯敦大学博士后张吉博正与莱斯大学的同事一起接受这一挑战。在6月17日发表于焦耳Zhang, Yao和他的团队通过使用溶剂辅助工艺来改变电极微观结构，证明了有机固态锂电池能量密度的两倍提高。美国休斯敦大学的陈朝阳、郝芳、梁彦亮、美国莱斯大学的艾青、Tanguy Terlier、郭华和娄军共同撰写了这篇论文。

“我们正在为固态电池开发低成本、储量丰富、无钴的有机基正极材料，这种材料将不再需要在矿山中发现稀缺的过渡金属，”姚说。“这项研究是在使用这种更可持续的替代品提高电动汽车电池能量密度方面迈出的一步。”姚还是德克萨斯大学超导中心(TcSUH)的首席研究员。

任何电池都包括阳极和阴极，它们在电池中被多孔膜隔开。锂离子流过离子导体——一种电解质，它允许电子充电和放电，从而为汽车发电。

电解质通常是液体，但这是不必要的——它们也可以是固体，这是一个相对较新的概念。这种新颖的电池与锂金属阳极相结合，可以防止短路，提高能量密度，加快充电速度。

阴极通常决定电池的容量和电压，由于钴等稀缺材料的使用，阴极随后成为电池中最昂贵的部分——到2030年，阴极的缺口将达到6.5万吨。由于其优异的性能，钴基阴极几乎只用于固态电池;直到最近，有机化合物基锂电池(obm - li)才成为一种更丰富、更清洁、更容易回收的替代品。

他说:“美国锂离子电池的供应链是主要的担忧。”“在这项工作中，我们展示了用从炼油厂或生物炼油厂获得的有机材料取代过渡金属基阴极来制造高能量密度锂电池的可能性，这两种材料都是美国拥有世界上最大产能的。”

钴基阴极产生800 Wh/kg的材料级比能量，或电压乘以容量，与obm - li电池一样，该团队在其早期出版物中首次证明了这一点，但由于非理想的阴极微观结构，以前的obm - li电池仅限于活性材料的低质量分数。这限制了总能量密度。

Yao和Zhang揭示了如何通过优化阴极微观结构来改善阴极内离子传输来提高obm - li电池的电极级能量密度。为了做到这一点，使用一种熟悉的溶剂——乙醇来改变微观结构。使用的有机阴极是芘-4,5,9,10-四酮或PTO。

“钴基阴极通常受到青睐，因为其微观结构自然是理想的，但在有机基固态电池中形成理想的微观结构更具挑战性，”张说。

在电极水平上，溶剂辅助微结构通过显著提高活性物质的利用率，将能量密度提高到300 Wh/kg，而干燥混合微结构的能量密度略低于180 Wh/kg。以前，活性物质的用量可以增加，但利用率仍然很低，接近50%。在张的贡献下，这一利用率提高到98%，并导致更高的能量密度。

张说:“最初我是在研究PTO的化学性质，我知道它会氧化硫化物电解质。”这引发了一场关于我们如何利用这种反应的讨论。我们与莱斯大学的同事一起研究了阴极-固体电解质界面的化学成分、空间分布和电化学可逆性，这可以为我们提供线索，说明为什么电池可以在没有容量衰减的情况下很好地循环，”张说。

在过去的十年中，电动汽车电池的成本下降到原始成本的近10%，使其具有商业可行性。所以，十年可以发生很多事情。这项研究是朝着更可持续的电动汽车发展的关键一步，也是未来十年研究的跳板。按照这样的速度，也许就像字面上的委婉语一样，未来在另一边看起来更加绿色。

这项研究由美国能源部能源效率和可再生能源办公室(EERE)资助，作为电池500联盟的一部分。