Группа исследователей под руководством профессора Сколтеха Павла Трошина исследовала координационные полимеры − почти не изученный в металл-ионных аккумуляторах класс соединений, и показали, что подобные полимеры в перспективе могут быть использованы для устройств запасания энергии с высокой скоростью заряда/разряда и долговременной стабильностью.

Результаты опубликованы в журнале Chemistry of Materials.

Одна из важных характеристик литий-ионных аккумуляторов − скорость их заряда/разряда. В большинстве случаев, современные коммерческие аккумуляторы для полного заряда требуют порядка часа или более, что ограничивает их применимость, например, в электромобилях. Это связано с тем, что у активных материалов, в частности, графита − наиболее популярного анодного материала – при увеличении скорости заряда резко падает емкость.

Чтобы этого падения не было, материалы должны обладать высокой электронной и ионной проводимостью. Такими свойствами обладают недавно открытые координационные полимеры, получаемые из ароматических аминов и солей переходных металлов, таких как никель или медь.

Однако несмотря на перспективность этих соединений, в литий-ионных аккумуляторах они остаются практически не исследованными.

В новой работе ученые из Сколтеха и Института проблем химической физики РАН под руководством проф. П.А. Трошина при участии коллег из Университета Кельна и Уральского Федерального Университета выбрали в качестве объектов исследования линейные полимеры никеля и меди на основе тетрааминобензола.

Несмотря на то, что изначальная электронная проводимость линейных полимеров была значительно ниже, чем для двумерных аналогов, оказалось, что их можно использовать в качестве анодных материалов аккумуляторов, заряжаемых/разряжаемых менее чем за минуту.

Причиной этому служит то, что при первом разряде проводимость материалов резко увеличивается за счет их легирования литием.

Также выяснилось, что созданные анодные материалы обладают отличной стабильностью при высоких скоростях заряда/разряда − ученые показали, что даже после 20 тысяч заряд-разрядных циклов можно сохранить до 79% от максимальной емкости.

Более того, полимер на основе меди можно использовать не только в качестве анодного, но и в качестве катодного материала с высокой емкостью; хотя для катода стабильной работы достичь пока не удалось, авторы указывают на большие возможности для дальнейшей оптимизации структуры.

«Для координационных полимеров существует множество методов для тонкой настройки их характеристик, − объясняет первый автор работы, аспирант Роман Капаев. – По сути мы имеем дело с конструктором, в котором можно относительно легко менять любые детали. Можно поменять как структуру амина, так и катион переходного металла, и тем самым увеличить емкость, повысить или понизить потенциалы окисления/восстановления, улучшить стабильность и многое другое. Это одна из первых работ, открывающих большую область исследований, в которой, я уверен, обнаружится еще много интересного».