Ученые из Центра энергетических наук и технологий Сколтеха совместно с ИПХФ РАН и РХТУ имени Д. И. Менделеева создали новый полимерный катодный материал для быстрозаряжаемых металл-ионных аккумуляторов, превосходящий по многим характеристикам все предыдущие аналогичные разработки.

Результаты исследований опубликованы в "Journal of Material Chemistry A ":https://pubs.rsc.org/…a/c8ta11572a!divAbstract

На протяжении последних десятков лет наблюдается значительное увеличение мирового потребления энергии, связанного с ростом населения, индустриализацией, а также развитием бытовой техники и электроники, в частности мобильных устройств и электромобилей. Это обуславливает острую потребность в совершенствовании технологий и устройств электрохимического хранения энергии.

Несмотря на то что литий-ионные аккумуляторы на основе неорганических материалов (оксидов, фосфатов и т. д.) занимают доминирующее положение на рынке, дальнейшее улучшение их рабочих характеристик затруднено, потому что в их составе используются тяжелые элементы, ограничивающие удельные электрохимические емкости материалов.

Проблема может быть решена путем применения в качестве катодных материалов органических соединений на основе легких элементов. Среди их преимуществ можно выделить высокую удельную энергоемкость, высокие скорости заряда/разряда, а также устойчивость к механическим деформациям. Помимо прочего, важным преимуществом является их повышенная экологичность, поскольку органические материалы содержат только типичные для живой природы элементы (C, H, N, O, S) и, как следствие, могут производиться целиком на основе возобновляемых ресурсов.

В отсутствие тяжелых металлов переработка органических аккумуляторов может быть произведена теми же методами, что и для обычного бытового (например, пищевого) пластика. Более того, использование органических катодов позволяет полностью отказаться от использования дорогостоящих соединений лития, заменив их на дешевые соли натрия и калия.

Группе исследователей под руководством профессора Сколтеха Павла Трошина удалось создать новый катодный материал на основе соединения полифениламинового ряда —одного из наиболее перспективных классов органических катодных материалов для металл-ионных аккумуляторов.

«Катодные материалы на основе политрифениламина и его аналогов, описанные в литературе, обладают потрясающими рабочими характеристиками в металл-ионных аккумуляторах. В частности, они демонстрируют высокий потенциал разряда, хорошую стабильность при циклировании, а также способны работать при больших скоростях заряда/разряда. Однако низкая удельная емкость известных полимеров данной группы ограничивает их коммерциализацию. Поэтому нами была поставлена задача смоделировать и исследовать новые макромолекулы, потенциально обладающие более высокой энергоемкостью. Созданный нами новый материал продемонстрировал превосходные характеристики при плотностях тока до 200 С (полный заряд и разряд аккумулятора происходит всего за 18 секунд). Немаловажным является и тот факт, что, помимо литиевых аккумуляторов, нам удалось собрать перспективные натрий- и калий-ионные ячейки на их основе», — рассказывает первый автор опубликованной работы, аспирант Сколтеха Филипп Обрезков.

Полученные учеными результаты подтверждают перспективность использования органических соединений в качестве катодов для «быстрых» металл-ионных аккумуляторов.

Дальнейшее развитие проекта может привести к созданию нового поколения аккумуляторных материалов, обладающих еще большей емкостью при высокой скорости заряда. Именно такие аккумуляторы сейчас крайне востребованы на рынке портативных устройств и электромобилей.