Литий-ионные аккумуляторы – это новейшая технология для портативных устройств, систем накопления энергии и электромобилей, разработка которых была отмечена Нобелевской премией этого года. Тем не менее ожидается, что батареи следующего поколения обеспечат более высокую плотность энергии, лучшую емкость и использование более дешевых, безопасных и экологически безвредных материалов.
В новых типах батарей, которые наиболее изучены, используется по существу та же технология зарядки-разрядки кресла-качалки, что и в литиевой батарее, но ион лития заменен ионами дешевых металлов, таких как ионы натрия, магния и алюминия. К сожалению, эта замена требует значительных изменений в материалах электродов.
Органические соединения удобны в качестве электродных материалов, потому что, во-первых, они не содержат вредных и дорогих тяжелых металлов и могут быть адаптированы для различных целей. Их недостаток в том, что они растворяются в жидких электролитах, что делает электроды нестабильными по своей природе.
Чуншенг Ван и его команда из Университета Мэриленда, США, а также международная группа ученых представили органический полимер как высокоемкий, быстро заряжающийся и нерастворимый материал для катодов аккумуляторных батарей.
Согласно исследованию, для иона натрия полимер превосходит современные полимерные и неорганические катоды по доставке и удержанию емкости, а для многовалентных ионов магния и алюминия данные не сильно отстают.
В качестве подходящего катодного материала ученые определили органическое соединение гексаазатринафталин (HATN), которое уже было протестировано в литиевых батареях и суперконденсаторах, где оно функционирует как катод с высокой плотностью энергии, который быстро интеркалирует ионы лития. Однако, как и большинство органических материалов, HATN растворяется в электролите и делает катод нестабильным во время цикла. Ученые объяснили, что теперь уловка заключалась в стабилизации структуры материала путем введения связей между отдельными молекулами.
Они получили органический полимер, названный полимерным HATN или PHATN, который предлагал быструю кинетику реакции и высокую емкость для ионов натрия, алюминия и магния.
После сборки батареи ученые протестировали катод PHATN с использованием высококонцентрированного электролита.
Они обнаружили отличные электрохимические характеристики для нелитиевых ионов. Натриевая батарея могла работать при высоком напряжении до 3.5 вольт и сохраняли емкость более 100 миллиампер-часов на грамм даже после 50000 циклов, а соответствующие магниевые и алюминиевые батареи были близки к этим конкурентным значениям, сообщают авторы.
Исследователи предполагают, что эти полимерные катоды на основе пиразина (пиразин – это органическое вещество, на котором основана HATN; это ароматическое бензолоподобное, богатое азотом органическое вещество с фруктовым вкусом), которые будут использоваться в экологически безопасных, высокоэнергетических целях. плотные, быстрые и сверхстабильные аккумуляторные батареи нового поколения.