Учеными Центра энергетических наук и технологий Сколтеха совместно с ИПХФ РАН и РХТУ им. Д. И. Менделеева был создан 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.
На протяжении последних десятков лет наблюдается значительное увеличение мирового потребления энергии, связанный с ростом населения, индустриализацией, а также развитием бытовой техники и электроники, в частности мобильных устройств и электромобилей. Все 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.п.) занимают доминирующее положение на рынке, дальнейшее улучшение их рабочих характеристик затруднено, т.к. в их составе используются тяжелые элементы, ограничивающие удельные электрохимические емкости материалов.
Данная проблема может быть решена путём 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 в себе 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 200С (полный заряд и разряд аккумулятора происходит всего за 18 секунд, прим. ред.). Немаловажным является также и тот факт, что помимо литиевых аккумуляторов нам удалось собрать также перспективные натрий- и калий-ионные ячейки на их основе», – рассказывает первый автор опубликованной работы, аспирант Сколтеха Филипп Обрезков.
Полученные учёными результаты подтверждают перспективность использования органических соединений в качестве катодов для «быстрых» металл-ионных аккумуляторов. Дальнейшее развитие данного проекта может привести к созданию нового поколения аккумуляторных материалов, обладающих ещё большей емкостью при высокой скорости заряда. Именно такие аккумуляторы сейчас крайне востребованы на рынке портативных устройств и электромобилей.
