Новая электродная установка поможет в изготовлении органических батарей

Российские ученые совместно с исследователями из Германии разработали электродную установку, которая поможет в изучении свойств различных материалов. Полученные с помощью новой методики результаты могут использоваться для конструирования органических батарей — устойчивых и безопасных аналогов литий-ионных аккумуляторов. Ученые смогли заглянуть внутрь такого устройства прямо во время его работы, понять, как протекает основной процесс заряда-разряда и побочные процессы старения и потери емкости, что в дальнейшем поможет отобрать вещества с лучшими свойствами. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Energy & Environmental Science.

В настоящее время производство литиевых аккумуляторов продолжает набирать обороты. Они используются повсеместно: в компьютерах, в сотовых телефонах, фотоаппаратах и другой технике. Однако такое производство вредно как для экологии, так и для людей: в аккумуляторах есть существенные количества тяжелых металлов, например никеля или кобальта. При утилизации продукта они попадают в почву и грунтовые воды, тем самым загрязняя окружающую среду. Для человека они опасны тем, что при накоплении в организме приводят к интоксикации. Вместе с тем, ресурсы для изготовления литиевых аккумуляторов ограничены, и с каждым годом рудные месторождения истощаются все больше и больше. Таким образом, необходимо найти безопасный и доступный аналог, превосходящий литий-ионные технологии по эффективности.

Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) и Свободного университета Берлина (Германия) разработали электродную установку, на которой исследовали различные полимеры. В ее основе лежит использование метода электронного парамагнитного резонанса, суть которого заключается в поглощении неспаренными электронами электромагнитного излучения. С его помощью можно определять в образце радикалы, ионы и прочие структуры с такими электронами — они могут образовываться в ходе окислительно-восстановительных реакций, протекающих на активном электроде, и влиять на эффективность работы устройства.

На установке можно подобрать вещества, оптимальные для создания органических батарей: так, авторы использовали в качестве возможных материалов проводящие полимеры, содержащие нитроксильные радикалы — именно на их основе можно получить стабильные и экологичные устройства. Они работают на окислительно-восстановительных реакциях: при разрядке радикал окисляется до положительного катиона, а при зарядке восстанавливается обратно. Сейчас уже созданы прототипы аккумуляторов на основе нитроксильных радикалов, которые могут заряжаться за считанные секунды, однако их энергия пока в два раза меньше, чем у литий-ионных систем.

В работе показано, что метод электронного парамагнитного резонанса может использоваться для исследования свойств различных материалов. Удается изучать, какие окислительно-восстановительные центры активны, а какие нет; выявлять изменения в покрывающей электрод пленке, связанные с ее деградацией. Обнаружение неактивных центров важно, поскольку они снижают эффективность работы аккумулятора.

Авторы провели эксперименты с пленкой p-DiTS, содержащей нитроксильную группу. Она оказалась достаточно стабильна, но все же теряет свою активность после 36 циклов окислительно-восстановительных реакций. Это связано с тем, что на пленке формируются области из электрохимически неактивных частиц, что приводит к ухудшению проводимости. Понимание, как образуются такие области, позволит химикам модифицировать структуру полимера, и получить материалы с высокой емкостью и стабильностью.

«В настоящее время разработка способов эффективного и безопасного хранения электроэнергии очень актуальна. Результаты нашей работы помогут приблизить широкое производство органических аккумуляторов, которые не содержат тяжелых металлов. Они будут достаточно эффективными в работе, безопасными в использовании и простыми в утилизации вместе с бытовыми отходами», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Олег Левин, доктор химических наук, профессор кафедры электрохимии Санкт-Петербургского государственного университета.