Химики из Черноголовки создали органические катоды для калий-ионных аккумуляторов
Ученые ФИЦ Проблем химической физики и медицинской химии РАН разработали органические материалы для катодов с рекордной удельной энергоемкостью калий-ионных аккумуляторов. Исследователи предложили сразу два полимерных органических катодных материала, полученные из трихиноила и тетрааминоферазина.
Литий-ионные аккумуляторы, используемые в современной портативной электронике и электротранспорте, приближаются к своему максимуму возможной удельной энергоемкости, при этом стоимость лития стремительно растет. В связи с этим ученые рассматривают более доступные альтернативы, в том числе натрий-ионные системы, в которых накопление энергии осуществляется путем переноса ионов натрия от анода к катоду и обратно. Ведутся работы и по калий-ионным аккумуляторам, характеристики которых могут быть еще выше, чем у натрий-ионных. Однако для их изготовления нужны новые материалы для всех основных компонентов — анода, катода и электролита.
Авторы исследования использовали разнообразные спектроскопические и физико-химические методы для того, чтобы охарактеризовать свойства двух ковалентных органических каркасов, в структуру которых при работе калий-ионных аккумуляторов встраиваются ионы калия. При этом синтезы обоих полимеров достаточно просты, проходят в одну стадию и легко масштабируются. Тестирование свойств этих материалов как катодов для калий-ионных аккумуляторов показало, что они обладают рекордной удельной энергоемкостью — 800-950 Вт⋅ч/кг.
«Уникальность органических электродов состоит в том, что они совместимы практически с любыми типами металл-ионных аккумуляторов: литий-, натрий- калий-, магний-, цинк-ионными. Кроме того, за счет аморфности органических материалов ионы способны очень быстро встраиваться в структуру, что открывает возможности для быстрого заряда и разряда аккумулятора», — рассказала первый автор опубликованной работы, аспирант ФИЦ ПХФ и МХ РАН Елена Щурик.
Новые катоды обладают еще одним важным качеством: они прекрасно работают при низких температурах (-55 градусов), лишь незначительно теряя в емкости. Это открывает возможности для применения подобных аккумуляторов для различных приложений, в том числе — в аэрокосмических технологиях.
Исследование проводилось при финансовой поддержке Минобрнауки России.