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.
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».
Telegram 
Дзен 
VK Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
В 2025 году детекторы гравитационных волн уловили потенциальное слияние черных дыр крайне малой массы. Ученые из Университета Майами считают, что участники того события могут открыть новое направление в исследовании темной материи.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
Новая находка доказывает, что эволюция изобрела как минимум два независимых способа бороться с вирусами. Это открытие кардинально меняет представления о развитии иммунитета и расширяет горизонты для поиска новых лекарств.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно