В Сколтехе разработали сверхбыстрые калиевые аккумуляторы — Naked Science
11 минут
Сколтех
1

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.
8 часов назад
6 минут
Василий Парфенов

Вопрос разработки способов запасания электричества в XXI веке встал невероятно остро — ученые со всего мира ломают голову над тем, как сделать батареи более емкими. Армейская исследовательская лаборатория США добилась успехов в создании тончайших антисегнетоэлектрических пленок из гафната свинца. Это сложное в получении соединение обладает большим потенциалом к применению в аккумуляторах и электрических вентилях.

Вчера, 18:35
4 минуты
Ольга Иванова

NASA смоделировало ситуацию, при которой нашей планете угрожает крупное небесное тело, и выяснило, как много времени понадобится землянам, чтобы предотвратить катастрофу. Спойлер: мы все умрем.

Вчера, 12:00
2 минуты
Илья Ведмеденко

Как следует из обнародованных материалов, дальность действия перспективной американской системы гиперзвукового оружия Long Range Hypersonic Weapon превышает 2775 километров.

11 мая
11 минут
Мария Азарова

Американские ученые показали, что РНК коронавируса SARS-CoV-2 проходит через обратную транскрипцию, встраивается в геном инфицированной клетки и экспрессируется в виде «химерных» транскриптов, сливающихся с вирусными с клеточными последовательностями.

8 мая
37 минут
Александр Березин

Филипп Мандей основал целое направление исследований: он первым установил, что закисление океанов — последствие глобального потепления — угрожает обонянию и умению ориентироваться у морских рыб. Само собой, это создает угрозу их вымирания. Долго оставалось загадкой только одно: как существующие виды рыб перенесли серьезное закисление океана при прошлых изменениях климата. Теперь все проясняется: похоже, Мандей обнаружил эффект, которого никогда не было. Интересно, что вместе с ним его наблюдали еще 179 ученых — и теперь все они оказались в центре чудовищного скандала. Попробуем разобраться в деталях.

12 мая
7 минут
Мария Азарова

Исследователи впервые показали присутствие коронавируса в ткани полового члена спустя как минимум полгода с момента заражения. Судя по всему, распространенная у пациентов с Covid-19 дисфункция эндотелиальных клеток может приводить и к развитию импотенции.

16 апреля
4 минуты
Илья Ведмеденко

Исследователи установили, что обнаруженный в Баренцевом море объект — погибшая советская субмарина типа «Крейсерская». Это одна из самых больших подлодок СССР периода Второй мировой.

23 апреля
11 минут
Василий Парфенов

Действующий глава NASA в рамках общения с прессой ответил на ряд вопросов, касающихся недавних заявлений российских политиков и главы «Роскосмоса» о скором отказе от собственного сегмента МКС. Администратор заверил всех, что агентство находится в хороших отношениях с Россией, а также поделился информацией о согласовании обмена местами для астронавтов и космонавтов в пилотируемых миссиях двух стран.

25 апреля
17 минут
Александр Березин

На этой неделе СМИ выдали новость, от которой можно впасть в шок: «Ранее из России уезжало около 14 тысяч исследователей [в год], теперь — 70 тысяч». Мы внимательно разобрались в ситуации и вынуждены отметить, что ничего подобного не было и нет. В реальности речь вовсе не об ученых и даже не о высококвалифицированных специалистах. Проблемы с учеными в России есть. Но в этом случае речь идет не о них, а о том, что отдельные бывшие комсомольские вожаки, удачно устроившиеся в РАН, перепутали утечку мозгов из России с отъездом из нее гастарбайтеров. Разбираемся, как это у них получилось.

[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?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: