12.11.19
Найти замену литий-ионным аккумуляторам удалось исследователям из Сколтеха в сотрудничестве с коллегами из Института проблем химической физики РАН и Уральского федерального университета. Это может помочь решить главную проблему электромобилестроения.
Ученые показали, что на основе органических материалов можно создавать аккумуляторы с высокой емкостью и мощностью. При этом не используя литий, а также редкоземельные кобальт, никель и марганец, входящие в состав распространенных катодов.
Получившиеся аккумуляторы на основе калия показали рекордные показатели по стабильности катодных материалов, а также по их энергоемкости при быстром заряде и разряде.
Значительного успеха в разработке натриевых и калиевых аккумуляторов на органических катодных материалах достигли исследователи из Сколтеха под руководством профессора Павла Трошина. По результатам работы были опубликованы сразу три научные статьи в авторитетных научных журналах.
В первой работе идет речь о создании полимера, содержащего гексаазатрифениленовые фрагменты. Материал оказался универсальным для литиевых, натриевых и калиевых аккумуляторов. Заявленная скорость зарядки поражает — для всех трех типов это 30–60 секунд! А емкость не падает даже после тысяч циклов.
«Механизмы окисления-восстановления органики слабо специфичны к природе противоионов. Это облегчает разработку альтернатив литий-ионным аккумуляторам: можно просто заменить дорожающий сейчас литий на натрий или калий, запасы которых вряд ли иссякнут когда-либо. Для неорганических материалов ситуация гораздо сложнее»,
— объясняет аспирант Сколтеха Роман Капаев.
Но у полимерного катода на основе гексаазатрифенилена есть недостаток — его невысокий рабочий потенциал (около 1,6 вольт относительно потенциала K+/K). Зато его лишен второй материал предложенный учеными — полимер на основе дигидрофеназина, обеспечивающий увеличение среднего рабочего напряжения аккумуляторов до 3,6 вольт.
В нашей работе мы впервые использовали поли-N-фенил-5,10-дигидрофеназин в составе катода калиевых аккумуляторов. Тщательная оптимизация электролита позволила нам получить удельную энергоемкость 593 Ватт-час на килограмм (Втч/кг), что является рекордом среди всех известных сейчас катодов для калий-ионных аккумуляторов»,
– говорит аспирант Сколтеха Филипп Обрезков.
Свойства калий-натриевого сплава, нанесенный на углеродную бумагу описаны в третьей работе. В качестве катодов здесь использовались разработанные редокс-активные полимеры. Зарядка таких аккумуляторов и вовсе длится не более 10 секунд!
Один из полимерных катодов для калиевых аккумуляторов показал наибольшие энергоемкости, а у второго потеря емкости составила всего 11% после 10 000 заряд-разрядных циклов. А мощностные характеристики достигали показателей ~100 000 Вт/кг, что соответствует режиму работы суперконденсаторов.
«Мы показали, что с использованием органических электроактивных материалов можно создать новое поколение электрохимических источников тока, сочетающих преимущества как металл-ионных аккумуляторов, так и суперконденсаторов. При этом нет необходимости использовать дорогостоящие соединения переходных металлов и литий»,
– прокомментировал работу руководитель коллектива Павел Трошин.
Нет комментариев