Органические электроды помогут создать новые калий-ионные аккумуляторы

23 декабря 2021
180

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.