Ученые Сколтеха и их коллеги опубликовали статью, в которой описывается органический материал для нового поколения систем хранения энергии. Авторы предложили элегантный принцип молекулярного дизайна, с помощью которого в будущем станет возможным создание материалов с еще более перспективными свойствами.
В Сколтехе предложили перспективный органический материал для аккумуляторов / ©Getty images
Статья с описанием результатов опубликована в журнале ACS Applied Energy Materials. Работе посвящена обложка свежего выпуска журнала. Устройства для хранения энергии находят все более широкое применение в современном мире, что подчеркивает необходимость внедрения надежных, экономичных и экологически безопасных технологий аккумуляторов с возможностью простой утилизации и использования доступных материалов.
Одно из наиболее перспективных решений этой задачи – аккумуляторы, основанные на органических материалах, обладающих большой удельной емкостью, долгим сроком службы и способностью к быстрому заряду. Однако органические катодные материалы с привлекательными свойствами, которые могут производиться в крупных масштабах, плохо исследованы и требуют дальнейшей разработки.
Для решения этой проблемы исследователи Сколтеха предложили простой редокс-активный полиимид, синтезируемый путем нагрева смеси двух доступных компонентов − ароматического диангидрида и мета-фенилендиамина. Материал показал привлекательные свойства в различных системах хранения энергии, таких как литиевые, натриевые и калиевые аккумуляторы.
Он обладает высокой удельной емкостью (до ~140 мАч/г) и относительно высокими электрохимическими потенциалами, сохранял стабильность при циклировании (до 1000 циклов) и имеет способность к быстрому заряду (менее чем за одну минуту). По показателям удельной энергоемкости и мощности материал превзошел ранее исследованный изомер – пара-фенилендиамин. С участием специалистов Института проблем химической физики РАН было показано, что улучшение свойств объясняется двумя причинами.
Во-первых, новый материал имеет меньший размер частиц и заметно более высокую удельную площадь поверхности, что облегчает процесс диффузии носителей заряда. Во-вторых, пространственное расположение соседних имидных звеньев в полимере обеспечивает более энергетически выгодное взаимодействие с ионами металлов, что приводит к повышению потенциалов.
«Эта работа интересна не просто потому, что мы исследовали новый органический катодный материал», − рассказывает автор разработки, аспирант Сколтеха Роман Капаев, − «Мы предложили новый принцип молекулярного дизайна полиимидов для аккумуляторов, заключающийся в использовании ароматических молекул с аминогруппами в мета-положениях в качестве строительных блоков.
Долгое время ученые уделяли мало внимания этому структурному мотиву и использовали в основном пара-фенилендиамин или аналогичные структуры. Полученные выводы позволяют лучше понять, какими на молекулярном уровне должны быть структуры полиимидов для аккумуляторов. В перспективе наши результаты могут стать основой для создания катодных материалов с улучшенными характеристиками».
