В Сколтехе разработали сверхбыстрые калиевые аккумуляторы
11.11.2019
11 минут
Сколтех
1
1550

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.
Сколтех
80 статей
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.
Позавчера, 17:20
28 минут
Илья Ведмеденко

Идея объединить два наиболее смертоносных класса кораблей в единое целое родилась намного раньше, чем можно было подумать. И, по сути, в значительной мере уже успела себя изжить.

5 часов назад
4 минуты
Сергей Васильев

Опрос более чем сотни молодых пар позволил выделить шесть тем, которые вызывают размолвки чаще всего, — начиная с нехватки внимания.

14 февраля
1 минута
Илья Ведмеденко

Космическое ведомство США может в обозримом будущем организовать две миссии, направленные на исследование Венеры, а также полеты к спутникам Юпитера и Нептуна.

11 февраля
4 минуты
Сергей Васильев

Экспериментальные данные указали на виды физических нагрузок, которые стимулируют нейропластичность мозга.

12 февраля
36 минут
Александр Березин

Сегодняшние удары турецкой армии в Сирии производят несколько шокирующее впечатление, но только до тех пор, пока мы не обратимся к истории. Напомним: главу Турции не так давно пытались ликвидировать в заговоре, поддерживаемом ЦРУ. И только информация из России позволила ему в последний момент спастись. У Анкары нет ни одного настоящего союзника на Западе. Фактически у нее вообще один заметный союзник: Москва. В этой ситуации Эрдоган внезапно бьет по сирийцам — другому партнеру России. Что это? Новый «удар в спину», как по Су-24 в 2015 году? Или как по Севастополю в 1914 году? Лавры Османской империи не дают покоя и тянут турок к внешнеполитическому самоубийству? Попробуем с точки зрения истории разобраться, зачем Турция сегодня, как и сто лет назад, принимает столь странные решения — и почему, на самом деле, они логичны.

13 февраля
5 минут
Полина Гершберг

Олигосахарид под названием 2’-фукозиллактоза оказался критически важным для когнитивных способностей детей.

11 февраля
4 минуты
Сергей Васильев

Экспериментальные данные указали на виды физических нагрузок, которые стимулируют нейропластичность мозга.

28 января
25 минут
Александр Березин

Недавняя научная работа предрекла серьезную эпидемию коронавируса 2019-nCoV. Согласно ей, 95% зараженных еще не зарегистрированы властями, а значит, через пару недель в одной Ухани будут сотни тысяч заболевших. При наблюдаемой смертности от вируса в 2,36% — это многие тысячи погибших. На самом деле, новая работа скорее «ловит хайп» или, если угодно, пытается держать мир настороже, чем описывает реальную эпидемию. Последние данные по заразности коронавируса показывают: он действительно неблестяще передается от человека к человеку. Для эпидемии в Китае этого достаточно, но большое число жертв за пределами этой страны маловероятно. Выясняем почему.

28 января
3 минуты
Полина Гершберг

Ученые создали информационную панель, показывающую распространение китайского коронавируса по миру в режиме реального времени. Данные вносятся из подтвержденных источников — это поможет бороться с дезинформацией.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

3DCop3 .
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
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: