На основе полимеров создали катоды для батарей

Wiley-VCH

Российские ученые разработали полимерные катоды для литиевых и калиевых двухионных аккумуляторов. Они могут выдерживать до 25 тысяч циклов зарядки и разрядки, а также заряжаться за несколько секунд. Исследование опубликовано в журнале Energy Technology.

Сегодня человечеству нужно все больше электричества для своих нужд. Поэтому его производство постоянно растет. Параллельно с этим растет спрос и на энергонакопители. Литий-ионные аккумуляторы хорошо подходят на эту роль. Они дают большую мощность, обеспечивают довольно высокие скорости разряда и заряда. При этом они могут хранить много энергии относительно своей массы. Благодаря этим преимуществам литий-ионные аккумуляторы стремительно расширяют сферу своего применения. Сегодня они используются как в электронике и электротранспорте, так и в глобальных энергосетях. Например, в Австралии планируют возвести сеть огромных энергонакопителей на основе литий-ионных аккумуляторов, с помощью которых австралийцы будут сохранять излишки энергии от солнечных и ветровых электростанций. Однако у литий-ионных аккумуляторов есть и серьезные недостатки. Во-первых, их катоды часто содержат кобальт, 60% которого добывается в одной стране — ДР Конго. Поэтому цены на металл могут значительно вырасти. Литий также весьма дорогой. Во-вторых, на добычу лития уходит очень много воды, что чревато экологическими проблемами.

Поэтому ученые сегодня ищут новые энергонакопители, которые будут не уступать литий-ионным по эффективности, но при этом окажутся дешевле. Российские ученые из Сколковского института науки и технологий, РХТУ им. Д.И. Менделеева и ИПХФ РАН использовали технологию двухионных аккумуляторов, в электрохимических процессах которых задействованы как анионы, так и катионы электролита. Это повышает скорость заряда энергонакопителей в разы по сравнению с литий-ионными батареями. При этом в качестве катодов тестировались материалы на основе полимерных ароматических аминов, которые можно синтезировать из различных органических соединений. Они могут быть дешевле, например, кобальта.

«У нашей группы уже были работы по полимерным катодам для сверхбыстрых аккумуляторов с хорошей емкостью, которые можно заряжать и разряжать за несколько секунд, но хотелось большего. Среди прочих раньше мы использовали линейные полимеры, у которых каждое мономерное звено образует связи только с двумя соседями, а в этой работе мы продолжили изучение новых разветвленных полимеров, у которых каждое звено может образовывать связи как минимум с тремя другими звеньями. Они формируют объемные сетчатые структуры, которые обеспечивают более быструю кинетику электродных процессов. С электродами из таких материалов аккумуляторы могут еще быстрее заряжаться и разряжаться», — рассказал первый автор работы, аспирант Сколтеха Филипп Обрезков.

Особенность разработанных российскими учеными аккумуляторов в том, что в электрохимических процессах участвуют не только катионы электролита-лития, но и анионы, которые то входят, то выходят из структуры катодного материала. Это позволяет заряжать батарею быстрее, чем стандартную литий-ионную. Кроме того, в некоторых экспериментах авторы исследования заменили литий на калий. Так они получали более дешевые, но все равно эффективные калиевые двухионные аккумуляторы.

Для катодов исследователи синтезировали два полимера. Это сополимер дигидрофеназина и дифениламина (PDPAPZ) и сополимер дигидрофеназина и фенотиазина (PPTZPZ). А в качестве анодов ученые использовали литий и калий. Полуячейки, как называются такие прототипы аккумуляторов, с PPTZPZ оказались не слишком удачны. А PDPAPZ, наоборот, показал хорошие результаты. Литиевые полуячейки с ним могли относительно быстро разряжаться и заряжаться. Кроме того, они обладали хорошей стабильностью. Они сохраняли до трети своей емкости даже после 25 тысяч рабочих циклов. Для сравнения, если бы батарея в телефоне имела такую же стабильность, то ее можно было бы ежедневно заряжать и разряжать на протяжении 70 лет. А калиевые полуячейки на основе PDPAPZ обладали высокой плотностью энергии — 398 Вт-ч/кг. Это больше, чем в стандартных литиевых, где плотность энергии равна 200–250 Вт-ч/кг, но с учетом массы анода и электролита. По словам ученых, их результаты показывают, что такие полимерные катодные материалы можно применять для создания эффективных литиевых и калиевых двухионных аккумуляторов.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.