Forskare från Skoltech Center for Energy Science and Technology, IPCP RAS och D.I. Mendeleev University of Chemical Technology har designat ett nytt polymerkatodmaterial för ultrasnabba metalljonbatterier med överlägsna egenskaper. Resultaten av detta arbete publicerades i Journal of Material Chemistry A .

Under de senaste decennierna, världens energiförbrukning har ökat avsevärt på grund av befolkningsökningen, industrialisering och utveckling av ett stort utbud av hushållsapparater och elektronik, med en särskild ökning av antalet mobila enheter och elfordon. Det finns därför ett akut behov av att utveckla elektrokemiska energilagringstekniker och anordningar som kan lagra tillräckliga mängder energi och släppa ut den snabbt vid behov. Trots att litiumjonbatterier baserade på oorganiska skiktade oxider och fosfater dominerar marknaden, att ytterligare förbättra deras prestanda är utmanande eftersom de är sammansatta av tunga element som begränsar den uppnåbara kapaciteten.

Detta problem kan lösas genom applicering av organiska föreningar som katodmaterial. Organiska katoder erbjuder sådana fördelar som hög energitäthet, imponerande laddnings-/urladdningshastighetsförmåga och bra motstånd mot kraftiga mekaniska deformationer. En annan viktig fördel är deras miljövänlighet, eftersom organiska material endast består av naturligt rikliga element (C, H, N, O, S) och kan erhållas från förnybara resurser. I frånvaro av tungmetaller, deras återvinning kan göras på samma sätt som för vanligt hushållsavfall, t.ex. matplast. Dessutom, användningen av organiska katoder gör att man kan ersätta dyra litiumsalter i elektrolyten med mycket billigare natrium- och kaliumanaloger.

Bland de många projekten av professor Pavel Troshins forskargrupp, särskild uppmärksamhet ägnas åt utformningen av nya föreningar av polyfenylamintyp, som representerar en av de mest lovande familjerna av organiska katodmaterial för metalljonbatterier.

"Katodmaterial baserade på polytrifenylamin och dess analoger som beskrivs i litteraturen visar ganska enastående egenskaper i metalljonbatterier. I synnerhet, de visar höga urladdningspotentialer, bra cykelstabilitet, och kan arbeta vid höga laddnings-/urladdningshastigheter. Dock, låg specifik kapacitet begränsar kommersialiseringen av denna grupp av material. Därför, vi fokuserade våra ansträngningar på molekylär design och syntes av en ny grupp makromolekyler, som potentiellt kan leverera en högre energitäthet. Verkligen, ett av de designade materialen visade en utmärkt prestanda medan den laddades och urladdades med nuvarande hastigheter på upp till 200C (full laddning och urladdning tar bara 18 sekunder, redaktionen). Det är viktigt att förutom litium, vi lyckades också sätta ihop natrium- och kaliumjonbatterier baserade på samma material, " säger den första författaren till det publicerade verket, Skoltech Ph.D. studerande, Filipp Obrezkov.

Således, de erhållna resultaten bekräftar en betydande potential för att använda organiska föreningar som katoder för ultrasnabba metalljonbatterier. Ytterligare utveckling av detta projekt kan resultera i utvecklingen av en ny generation batterimaterial med ännu högre specifik kapacitet och energitäthet som kan uppnås vid höga strömtätheter, som är brådskande för att tillgodose den nuvarande och framtida efterfrågan på marknaden för bärbara enheter och elfordon.