11.11.2019
Сколтех
1
17 329

В Сколтехе разработали сверхбыстрые калиевые аккумуляторы

Исследователи из Сколтеха в сотрудничестве с коллегами из Института проблем химической физики РАН и Уральского федерального университета показали, что на основе органических материалов можно создавать аккумуляторы с высокой емкостью и мощностью, не используя литий и другие редкие элементы. С аккумуляторами на основе калия ученые достигли рекордов как по стабильности катодных материалов, так и по их энергоемкости при быстром заряде и разряде.

Калиевые аккумуляторы позволят осуществить массовый переход на электромобили
Калиевые аккумуляторы позволят осуществить массовый переход на электромобили / ©avtozvuk-info.ru

Результаты опубликованы в журналах Journal of Materials Chemistry A, Journal of Physical Chemistry Letters и Chemical Communications.

Литий-ионные аккумуляторы сейчас занимают важное место в жизни каждого человека, поскольку широко используются для хранения энергии, в частности, в портативной электронике. Спрос на аккумуляторы стремительно растет ввиду быстрого развития электротранспорта, в разработку которого вкладывается все больше средств.

Так, например, компания Volvo намерена увеличить долю продаж электромобилей до 50% к 2025 году, а в концерне Daimler объявили, что больше не будут заниматься разработками двигателей внутреннего сгорания — акцент будет сделан на электрификации.

Однако массовое использование литий-ионных аккумуляторов обостряет проблему ограниченности ресурсов, необходимых для их производства. Переходные металлы, такие как кобальт, никель и марганец, входящие в состав распространенных катодов, являются сравнительно редкими и дорогостоящими, а также токсичными. Литий также не является распространенным элементом, и основную его часть добывают лишь в нескольких странах.

Заменить все автомобили, имеющие двигатели внутреннего сгорания на электромобили с литиевыми аккумуляторами практически невозможно — не хватит запасов лития на планете. Согласно расчетам немецкого Исследовательского центра по энергетической экономике (FFE), нехватка литиевых запасов может стать проблемой уже в ближайшие десятилетия. В последнее время ученые предлагают заменять литий на более распространенные элементы с похожими химическими свойствами, такие как натрий и калий.

Значительного успеха в разработке натриевых и калиевых аккумуляторов на органических катодных материалах достигли исследователи из Сколтеха под руководством профессора Павла Трошина. Результаты своих исследований они представили в трех статьях в высокорейтинговых международных научных журналах.

Первая работа авторов посвящена полимеру, содержащему гексаазатрифениленовые фрагменты. Материал оказался пригодным как для литиевых, так и для натриевых и калиевых аккумуляторов. Все три типа аккумуляторов можно заряжать примерно за 30–60 секунд, при этом их емкость не падает в течение тысяч заряд-разрядных циклов. «Одним из плюсов органических материалов является их универсальность», – объясняет первый автор работы, аспирант Сколтеха Роман Капаев.

«Механизмы окисления-восстановления органики слабо специфичны к природе противоионов. Это облегчает разработку альтернатив литий-ионным аккумуляторам: можно просто заменить дорожающий сейчас литий на натрий или калий, запасы которых вряд ли иссякнут когда-либо. Для неорганических материалов ситуация гораздо сложнее».

Недостаток полимерного катода на основе гексаазатрифенилена ‒ его невысокий рабочий потенциал (около 1,6 вольт относительно потенциала K+/K), что понижает энергоемкость аккумуляторов. Этого недостатка лишен второй материал, предложенный учеными — полимер на основе дигидрофеназина, обеспечивающий увеличение среднего рабочего напряжения аккумуляторов до 3,6 вольт.

«Ароматические полимерные амины имеют большие перспективы применения в качестве высоковольтных органических катодных материалов для металл-ионных аккумуляторов. В нашей работе мы впервые использовали поли-N-фенил-5,10-дигидрофеназин в составе катода калиевых аккумуляторов. Тщательная оптимизация электролита позволила нам получить удельную энергоемкость 593 Ватт-час на килограмм (Втч/кг), что является рекордом среди всех известных сейчас катодов для калий-ионных аккумуляторов», – объясняет первый автор работы, аспирант Сколтеха Филипп Обрезков.

Значительной проблемой металл-ионных аккумуляторов, в особенности систем с металлическим анодом, является формирование металлических дендритов, которые, прорастая вглубь ячейки, вызывают ее короткое замыкание, которое может сопровождаться возгоранием и даже взрывом. Образования дендритов можно избежать, если использовать вместо чистых щелочных металлов их сплавы, жидкие при температуре работы аккумулятора, что недавно было предложено группой профессора Джона Б. Гуденафа, получившего Нобелевскую премию. Известно, что легкоплавкий сплав калия и натрия, содержащий ~22% натрия по массе, имеет температуру плавления -12.7 ˚C.

В третьей работе авторы использовали в качестве анода подобный калий-натриевый сплав, нанесенный на углеродную бумагу. В качестве катодов использовались разработанные редокс-активные полимеры. Оказалось, что такие аккумуляторы можно заряжать/разряжать менее чем за десять секунд. При этом один из полимерных катодов для калиевых аккумуляторов показал наибольшие энергоемкости, а второй – превосходную стабильность: потеря емкости составила всего 11% после 10 000 заряд-разрядных циклов. Аккумуляторы на основе обоих материалов продемонстрировали также рекордные мощностные характеристики, достигая показателей ~100 000 Вт/кг, что соответствует режиму работы суперконденсаторов.

«На сегодняшний день для запасания энергии чаще всего используют металл-ионные аккумуляторы и суперконденсаторы», – комментирует работу руководитель коллектива Павел Трошин. «Первые запасают много энергии на единицу массы, но заряжаются медленно и относительно быстро теряют емкость в ходе эксплуатации. Вторые быстро заряжаются и выдерживают десятки тысяч циклов, но запасают мало энергии. Мы показали, что с использованием органических электроактивных материалов можно создать новое поколение электрохимических источников тока, сочетающих преимущества как металл-ионных аккумуляторов, так и суперконденсаторов. При этом нет необходимости использовать дорогостоящие соединения переходных металлов и литий».

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Вчера, 13:04
Сколтех

Коллектив ученых из Сколтеха — аспирант Егор Нужин, доцент Максим Панов и профессор Николай Бриллиантов — при помощи методов искусственного интеллекта объяснили таинственное поведение, характерное для ряда животных, — кружение.

Позавчера, 17:39
Илья Ведмеденко

(16) Психея – одно из самых необычных небесных тел в Поясе астероидов. Она может дать людям не только понимание о происхождении планет, но и невероятные по своим объемам ресурсы. Правда, придется подождать: миссия по исследованию астероида находится лишь в самом начале долгого и сложного пути.

Вчера, 21:28
Мария Азарова

По словам ученых из США, это первое исследование, в котором физическая утомляемость у пожилых людей рассматривается как показатель более ранней смертности от всех причин.

Вчера, 13:04
Сколтех

Коллектив ученых из Сколтеха — аспирант Егор Нужин, доцент Максим Панов и профессор Николай Бриллиантов — при помощи методов искусственного интеллекта объяснили таинственное поведение, характерное для ряда животных, — кружение.

Позавчера, 17:39
Илья Ведмеденко

(16) Психея – одно из самых необычных небесных тел в Поясе астероидов. Она может дать людям не только понимание о происхождении планет, но и невероятные по своим объемам ресурсы. Правда, придется подождать: миссия по исследованию астероида находится лишь в самом начале долгого и сложного пути.

21 января
Илья Ведмеденко

В конце 2021 года российским ВКС передали два новых Су-57. О поставке первого серийного истребителя пятого поколения сообщили в 2020-м.

26.12.2021
Александр Березин

Российская тяжелая ракета имеет все шансы взлететь после Starship, хотя ее начали создавать на 20 лет раньше, да и по параметрам она радикально уступает детищу Илона Маска. Попробуем разобраться, почему любая попытка создать классическую ракету в наши дни — пустая трата времени и средств. А заодно дать ответ на вопрос, какую космическую ракету на самом деле стоит создавать России.

12 января
Алиса Гаджиева

Дополнительное исследование вулканических пород формации Кибиш в Эфиопии изменило датировку найденных там костей Homo sapiens.

20 января
ТГУ

Ученые факультета физической культуры Томского государственного университета в рамках гранта, поддержанного РНФ, исследуют особенности механизма усвоения глюкозы при сахарном диабете второго типа. Для этого был организован масштабный четырехмесячный эксперимент на 240 мышах, подобного которому в мире еще никто не проводил. Животные с искусственно сформированным диабетом подвергались физической нагрузке. Установлено, что вечерние тренировки лучше снижали вес мышей мышей, а утренние – приводили к уменьшению уровня глюкозы. Предположительно, фактором, стимулирующим утилизацию глюкозы, выступил стресс. Ученые намерены проверить эту гипотезу.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

12.11.2019
-
0
+
Каждый год пишут, то про графен, то про магний... Если все так радужно, в чем проблема? Мне кажется авторы статьи просто "немного" преувеличивают.
Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: