Skoltech-forskare i samarbete med forskare från Institute for Problems of Chemical Physics av ​​RAS och Ural Federal University har visat att hög kapacitet, Högeffektsbatterier kan tillverkas av organiska material utan litium eller andra sällsynta ämnen. Dessutom, de visade katodmaterialens imponerande stabilitet och registrerade hög energitäthet i snabbladdning/urladdning av kaliumbaserade batterier. Resultaten av deras studier publicerades i Journal of Materials Chemistry A , de Journal of Physical Chemistry Letters och Kemisk kommunikation .

Litiumjonbatterier används ofta för energilagring, särskilt inom bärbar elektronik. Efterfrågan på batterier ökar på grund av den snabba utvecklingen av elfordon med höga krav på litium. Till exempel, Volvo har för avsikt att öka andelen elfordon till 50 procent av sin totala försäljning till 2025, och Daimler tillkännagav sina planer på att helt ge upp förbränningsmotorer, flytta tyngdpunkten till elfordon.

Dock, massanvändning av litiumjonbatterier förvärrar den akuta bristen på resurser som behövs för deras produktion. Övergångsmetaller som vanligtvis används i katoder, som kobolt, nickel och mangan, är ganska sällsynta, dyrt och giftigt. Medan det mesta av det mindre vanliga litiumet produceras av en handfull länder, det globala utbudet av litium är för magert för att ersätta alla konventionella bilar med elfordon som drivs av litiumbatterier. Enligt uppskattning av det tyska forskningscentret för energiekonomi (FFE), Bristen på litiumreserver kan bli ett stort problem under kommande decennier. Nyligen, forskare har föreslagit att titta på alternativ som natrium och kalium, som liknar litium i kemiska egenskaper.

Skoltech-forskare under ledning av professor Pavel Troshin har gjort betydande framsteg i utvecklingen av natrium- och kaliumbatterier baserade på organiska katodmaterial. Deras forskningsresultat rapporterades i tre publikationer i internationella vetenskapliga tidskrifter.

Deras första papper presenterar en polymer som innehåller hexaazatrifenylenfragment. Det nya materialet visade sig vara lika lämpligt för litium, natrium- och kaliumbatterier som laddas på 30 till 60 sekunder samtidigt som de behåller sin energilagringskapacitet efter tusentals laddnings-urladdningscykler. "Mångsidighet är en av de viktigaste fördelarna med organiska material, " förklarar den första författaren till artikeln och Skoltech-doktorand Roman Kapaev. "Deras redoxmekanismer är mycket mindre specifika för motjonens natur, vilket gör det lättare att hitta ett alternativ till litiumjonbatterier. Med litiumpriserna stiger, det är vettigt att ersätta det med billigare natrium eller kalium som aldrig kommer att ta slut. När det gäller oorganiska material, saker och ting är mycket mer komplicerade."

Nackdelen är att de hexaazatrifenylenbaserade polymerkatoderna har en låg driftpotential (ca 1,6 V volt med avseende på K+/K-potential), vilket resulterar i minskad energilagringskapacitet. I deras andra tidning, forskarna föreslog ett annat material, en dihydrofenazinbaserad polymer som inte har denna nackdel och säkerställer en ökning av batteriets genomsnittliga driftspänning upp till 3,6 volt.

"Aromatiska polymeraminer kan göra utmärkta organiska högspänningskatoder för metalljonbatterier. I vår studie, vi använde poly-N-fenyl-5, 10-dihydrofenazin i kaliumbatteriets katod för första gången. Genom att grundligt optimera elektrolyten, vi fick en specifik energi på 593 Wh/kg, ett rekordhögt värde för alla för närvarande kända K-jonbatterikatoder, " förklarar studiens första författare och Skoltech-doktorand Philipp Obrezkov.

Ett stort problem i metalljonbatterier, speciellt de med en metallanod, är tillväxten av metalldendriter in i cellen, som orsakar kortslutningar, ofta åtföljd av brand och till och med explosion. Att ersätta rena alkalimetaller med deras legeringar i flytande form vid batteridriftstemperatur kan förhindra sådana incidenter. Detta föreslogs nyligen av professor John B. Goodenough, en nobelpristagare 2019.

Den lågsmältande kalium- och natriumlegeringen (NaK) är känd för att innehålla cirka 22 viktprocent natrium och har en smältpunkt på -12,7 grader Celsius.

I deras tredje studie, forskarna använde en liknande kalium-natriumlegering applicerad på kolpapper som en anod och de redoxaktiva polymerer som erhölls tidigare som katoder. Sådana batterier kan laddas-urladdas på mindre än 10 sekunder. Intressant, en av polymerkatoderna uppvisade den högsta energikapaciteten för kaliumbatterier, medan den andra visade utmärkt stabilitet, med endast 11 procent av kapaciteten förlorad efter 10, 000 laddnings-/urladdningscykler. Också, batterierna baserade på dessa två material visade oöverträffade kraftegenskaper på nästan 100, 000 W/kg, en nivå som är typisk för superkondensatorer.

"För närvarande, metalljonbatterier och superkondensatorer är de vanligaste energilagringslösningarna, " säger teamledaren Pavel Troshin. "Den tidigare lagrar mycket energi per massaenhet, men laddar långsamt och tappar kapacitet ganska snabbt efter ett antal cykler, medan de senare laddar snabbt och klarar tiotusentals cykler, men har dålig lagringskapacitet. Vi visade att elektroaktiva organiska material kan bana väg för en ny generation av elektrokemiska energilagringsenheter som kombinerar fördelarna med metalljonbatterier och superkondensatorer, eliminerar därmed behovet av kostsamma övergångsmetallföreningar och litium."