Органические электроды помогут создать новые калий-ионные аккумуляторы
Коллектив российских ученых разработал серию перспективных органических электродных материалов для калий-ионных аккумуляторов, показывающие рекордные емкости и плотности энергии. Со временем они могут стать дешевой и экологичной альтернативой литий-ионным аккумуляторам. Результаты работы опубликованы в журналах Journal of Power Sources и Journal of Materials Chemistry A.
Одним из основных недостатков литий-ионных аккумуляторов является использование в качестве активных электродных материалов солей и сложных оксидов тяжелых металлов. С одной стороны, тяжелые элементы сильно ограничивают емкость аккумуляторов, а с другой - делают их токсичными и опасными для окружающей среды. Кроме того, такие металлы как кобальт и никель являются дорогостоящими, что сильно сказывается на цене аккумулятора.
Из-за токсичности и дороговизны используемых материалов приходится собирать и перерабатывать в особых условиях отработавшие свой срок аккумуляторы. Кроме того, классические литий-ионные аккумуляторы с неорганическими катодами не обеспечивают необходимую токоотдачу, поэтому часто их необходимо комбинировать с другими источниками тока, например, в электромобилях - с малоемкими, но быстрыми суперконденсаторами. Наконец, мировые запасы лития очень ограничены и локализованы в единичных странах мира. Расчеты показывают, что лития не хватит даже на электрификацию транспорта, не говоря про остальные нужды, включая бурно развивающуюся портативную электронику. Все указанные проблемы потенциально можно решить при переходе к натриевым или калиевым источникам тока с электродами на органической основе.
Недавно в Институте проблем химической физики РАН (Черноголовка) была разработана целая серия перспективных органических электроактивных материалов на основе трихиноила (циклогексангексона). Подтверждение состава и строения этих новых материалов было осложнено их аморфной природой и отсутствием растворимости в каких-либо растворителях, что не позволяло использовать самые мощные физико-химические методы анализа, такие как рентгеноструктурный анализ или метод ядерной магниторезонансной спектроскопии в растворе. Тем не менее, задача была успешно решена с использованием твердотельной ЯМР спектроскопии (Научный центр РАН в Черноголовке), а также квантово-химического DFT-моделирования колебательных и ЯМР спектров и сопоставления их с экспериментальными данными. Дополнительная важная информация была получена с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии в сотрудничестве с коллегами из Уральского федерального университета и Уральского отделения РАН (Екатеринбург).
Исследование новых материалов в калиевых источниках тока проводилось в коллаборации со Сколтехом (Москва) в рамках деятельности совместного с ИПХФ РАН Исследовательского центра наноструктурированных материалов для преобразования и запасания энергии.
Один из полученных материалов - октагидрокситетраазапентацендион (OHTAPQ) – показал достаточно высокую удельную емкость (190 мАч/г), которая превосходит, например, емкость LiFePO4 – классического катода для литий-ионных аккумуляторов (<170 мАч/г). А показанная удельная мощность около 41 кВт/кг ставит этот тип аккумуляторов наравне с суперконденсаторами по токоотдаче.
Еще более высокие характеристики были достигнуты при исследовании полимерных электродных материалов. В частности, емкости для лучших систем достигли 420 мАч/г, а плотности энергии - 700 Втч/кг. Последняя величина является рекордной для всех известных на сегодняшний день органических катодов для калий-ионных аккумуляторов, а также соответствующих неорганических материалов за исключением серы. Однако калий-серные аккумуляторы сильно деградируют уже после нескольких заряд-разрядных циклов, что затрудняет их практическое использование. Напротив, разработанные учеными органические электродные материалы не теряют свою емкость даже после 1000-2000 циклов, что указывает на значительные перспективы их практического использования.
«Исследованные нами материалы доступны, дешевы, экологичны и демонстрируют фактически рекордные для калиевых источников тока электрохимические характеристики. Тем не менее, существенным их недостатком являются невысокие потенциалы разряда, из-за которых эти материалы наиболее перспективы как аноды для калий-ионных аккумуляторов. Дальнейшие усилия нужно сосредоточить на разработке катодных органических материалов с высокими потенциалами», - отмечает первый автор работы Вахид Рамезанкхани (аспирант Сколтеха).
По мнению координатора этих исследований, Павла Трошина, калиевые источники тока на основе органических материалов имеют огромные перспективы практического использования для созданий дешевых и масштабируемых стационарных накопителей энергии. Отсутствие аккумуляторов, обеспечивающих экономически рентабельное хранение больших объемов энергии, ограничивает развитие возобновляемой энергетики. В европейских странах, например, в Германии, ситуация сложилась очень непростая. Солнечные панели и ветряки генерируют огромное количество энергии в то время, когда основные потребители ее не используют. Приходится запасать эту энергию разными способами: используется и закачка воды в высокогорные озера, и компрессия воздуха в заброшенных шахтах. Однако это лишь малая часть той емкости накопителей, которая нужна для стабильной работы энергосетей. Поэтому в такие моменты Германия отдает электроэнергию соседям бесплатно или даже доплачивает за прием энергии.
С учетом вышесказанного, разработка дешевых, безопасных, экологичных и эффективных систем электрохимического хранения энергии на основе органических материалов может сыграть ключевую роль в развитии мировой энергетики, способствуя внедрению возобновляемых источников энергии.