Изследователите на Skoltech в сътрудничество с учени от Института по проблеми на химическата физика на RAS и Уралския федерален университет показаха, че батериите с голям капацитет с голяма мощност могат да бъдат направени от органични материали, без да се използват литий или други редки елементи. В допълнение, те демонстрираха впечатляващата стабилност на катодни материали и записват висока енергийна плътност в батерии с бързо зареждане/разреждане на калий. Резултатите от техните изследвания са публикувани в Journal of Materials Chemistry A, Journal of Physical Chemistry Letters и Chemical Communications.

батерии

Литиево-йонните батерии са незаменими в нашето ежедневие: те се използват широко за съхранение на енергия, по-специално в преносимата електроника. Търсенето на батерии нараства поради бързото развитие на електрическите превозни средства, които привличат все по-големи инвестиции. Например, Volvo възнамерява да увеличи дела на електрическите превозни средства до 50% от общите си продажби до 2025 г., а Daimler обяви плановете си да се откаже изцяло от двигателите с вътрешно горене, измествайки акцента към електрическите превозни средства.

Въпреки това масовото използване на литиево-йонни батерии извежда на преден план острия недостиг на ресурси, необходими за тяхното производство. Преходните метали, често използвани в катоди, като кобалт, никел и манган, са доста редки и скъпи, а също и токсични. Докато по-голямата част от по-рядко срещания литий се произвежда от няколко страни, глобалното предлагане на литий е твърде оскъдно, за да могат всички конвенционални автомобили да бъдат заменени с електрически превозни средства, захранвани от литиеви батерии. Според изчисленията на Немския изследователски център за енергийна икономика (FFE), недостигът на литиеви резерви може да се превърне в основен проблем през следващите десетилетия. Наскоро учените предлагат да се разгледат други алтернативи, като натрий и калий, които по химични свойства са подобни на лития.

Изследователите на Skoltech, ръководени от професор Павел Трошин, постигнаха значителен напредък в развитието на натриеви и калиеви батерии, базирани на органични катодни материали. Резултатите от техните изследвания са докладвани в три публикации в водещи международни научни списания.

Първата им книга представя полимер, който съдържа хексаазатрифениленови фрагменти. Новият материал се оказа еднакво подходящ за литиеви, натриеви и калиеви батерии, които се зареждат за 30 до 60 секунди, като същевременно запазват капацитета си за съхранение на енергия след хиляди цикли на разреждане. „Универсалността е едно от ключовите предимства на органичните материали“, обяснява първият автор на статията и докторант в Skoltech, Роман Капаев. „Техните окислително-възстановителни механизми са много по-малко специфични за естеството на противоиона, което улеснява намирането на алтернатива на литиево-йонните батерии. С повишаването на цените на лития има смисъл да се замени с по-евтини натрий или калий, които никога няма да свършат. Що се отнася до неорганичните материали, нещата са много по-сложни. "

Недостатъкът е, че полимерният катод на основата на хексаазатрифенилен има нисък работен потенциал (около 1,6 V волта по отношение на K +/K потенциал), което води до намален капацитет за съхранение на енергия. Във втората си статия учените предлагат друг материал, полимер на основата на дихидрофеназин, който няма този недостатък и осигурява увеличаване на средното работно напрежение на батерията до 3,6 волта. „Ароматните полимерни амини могат да направят отлични органични катоди с високо напрежение за метално-йонни батерии. В нашето изследване за пръв път използвахме поли-N-фенил-5,10-дихидрофеназин в катодния калиев акумулатор. Чрез цялостна оптимизация на електролита получихме специфична енергия от 593 W × h/kg, рекордно висока стойност за всички известни в момента катодни K-йонни батерии “, обяснява първият автор на изследването и докторант в Skoltech, Филип Обрезков.

Основен проблем при метално-йонните батерии, особено тези с метален анод, са металните дендрити, които растат в клетката, причинявайки късо съединение, често придружено от пожар и дори експлозия. За да се избегне това, човек може да замени чистите алкални метали с техните сплави, които са течни при работната температура на батерията. Това беше предложено наскоро от професор Джон Б. Гуденоу, носител на Нобелова награда 2019 г. Известно е, че ниско топящата се калиева и натриева сплав (NaK) съдържа около 22% тегловно натрий и има температура на топене -12,7 o C.

В третото си проучване учените са използвали подобна калиево-натриева сплав, приложена върху въглеродна хартия като анод, и редокс-активните полимери, получени по-рано като катоди. Оказа се, че такива батерии могат да се зареждат и разреждат за по-малко от 10 секунди. Интересното е, че единият от полимерните катоди показва най-високия енергиен капацитет за калиеви батерии, докато другият показва отлична стабилност, като само 10% от капацитета се губи след 10 000 цикъла на зареждане/разреждане. Също така батериите, базирани на тези два материала, показват ненадминати характеристики на мощност от близо 100 000 W/kg - ниво, характерно за суперкондензаторите.

„Понастоящем метално-йонните батерии и суперкондензатори са най-често срещаните решения за съхранение на енергия“, коментира ръководителят на екипа Павел Трошин. „Първите съхраняват много енергия на единица маса, но се зареждат бавно и губят капацитет доста бързо след няколко цикъла, докато вторите се зареждат бързо и издържат на десетки хиляди цикли, но имат слаб капацитет за съхранение. Показахме, че електроактивните органични материали могат да проправят пътя за ново поколение електрохимични устройства за съхранение на енергия, съчетаващи предимствата на метално-йонните батерии и суперкондензатори, като по този начин елиминират нуждата от скъпи съединения на преходни метали и литий. "

„Полимерен катод на основата на хексаазатрифенилен за бързи и стабилни литиеви, натриеви и калиево-йонни батерии“ от Роман Р. Капаев, Иван С. Жидков, Ернст З. Курмаев, Кийт Й. Стивънсън и Павел А. Трошин, 23 септември 2019 г., Списание по химия на материалите A.
DOI: 10.1039/C9TA06430C

„Калиево-йонни батерии с висока енергия и плътност, използващи полимер на основата на дихидрофеназин като активен катоден материал“ от Филип А. Обрезков, Вахид Рамезанкани, Иван Жидков, Валерий Ф. Травен, Ернст З. Курмаев, Кийт Дж. Стивънсън и Павел А. Трошин, 7 септември 2019 г., Journal of Physical Chemistry Letters.
DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b02039

„Метално-йонните батерии отговарят на суперкондензатори: акумулаторни батерии с голям капацитет и висока скорост с органични катоди и анод от сплав Na/K“ от Роман Р. Капаев, Филип А. Обрезков, Кийт Дж. Стивънсън и Павел А. Трошин, 4 септември 2019, Химически комуникации.
DOI: 10.1039/C9CC05745E