Переход на новые источники энергии в ФИЦ ПХФ и МХ РАН

В  ФИЦ ПХФ и МХ РАН разработали инновационные органические электродные материалы для калий-ионных аккумуляторов.

Черноголовка, 16.02.2024 – ФИЦ ПХФ и МХ РАН

Российские исследователи разработали перспективные органические электродные материалы для калий-ионных аккумуляторов. Работы прошлых лет, отмеченные публикациями в известных международных журналах, дополнились новыми статьями в Journal of Power Sourсes и Molecules. Материалы, полученные учеными, показали высокие удельные емкости и энергоемкости, а также хорошую циклируемость. Короткие времена заряда/разряда разработанных калиевых источников тока на органической основе позволяют их рассматривать как альтернативу суперконденсаторам.

С каждым годом наша жизнь становится все более интересной и увлекательной из-за появления на рынке разнообразной портативной электроники. Если начиналось все с мобильных телефонов и ноутбуков, то сейчас нас окружают гаджеты на все случаи жизни. Популярной становится и электрификация транспорта: всего каких-то десять лет назад «Тесла» была диковинкой, а теперь мы все катаемся на электробусах в Москве. Наша столица лидирует в Европе по степени электрификации общественного транспорта. На первый взгляд, может показаться, что в стремительном наступлении технического прогресса  нет ничего негативного, но есть скрытая угроза, из-за которой будущее может вскоре стать не таким уж радужным, например, в момент, когда цены на привычную нам технику взлетят до небес, а электромобили станут непозволительной роскошью.

Рис 1. Рост цены на литий в Китае

Общая часть всей современной электроники – это литий-ионный аккумулятор, в котором много лития. А литий – это химический элемент, который встречается редко, как правило, в небольших количествах. Только отдельные страны могут похвастаться значительными месторождениями лития, например: Чили, Австралия, Аргентина, Китай и некоторые другие. Но даже если извлечь весь литий, который есть в земной коре, и сделать из него литий-ионные аккумуляторы, их просто не хватит для электрификации мирового транспорта. Ситуация обостряется тем, что литий очень плохо извлекается из отработавших свой срок аккумуляторов. Осознание острой нехватки лития в мире привело к взлету цен на его соединения: они выросли пятикратно в конце 2022 – начале 2023 гг.

Очевидно, что нужна альтернативная технология хранения энергии – не литиевые аккумуляторы, а какие-то другие, которые работают без лития, но при этом дают сопоставимые технические характеристики. Самой логичной заменой литию будет натрий и калий – это близкие по природе химические элементы, которые находятся в той же группе периодической таблицы, что и литий. Однако натрия и калия много как в земной коре, так и в мировом океане – эти ресурсы почти безграничны. Потому стоимость натрия и калия на порядки ниже, чем лития.

К сожалению, просто так взять и заменить литий в аккумуляторе на натрий или калий не получится. Нужны принципиально новые материалы, а найти их среди неорганических соединений не так просто.

Инновационный подход в этой области разрабатывается в ФИЦ ПХФ и МХ РАН. Именно здесь неорганические катоды и аноды решили заменить на органические соединения, так как они не имеют жесткой кристаллической решетки, то есть с легкостью принимают не только катионы лития, но также калия и натрия. Рекордная энергоемкость калий-ионных аккумуляторов была достигнута с использованием органических катодов, разработанных в Институте проблем химической физики РАН в 2019 году. Сейчас энергоемкость нового органического катода составила 696 Вт*ч/кг. Эта величина никак не уступает характеристикам наиболее часто применяемых в промышленности неорганических катодов. Однако для создания калий-ионного аккумулятора нужны не только катодные материалы, но и анодные – решением стало использование нового класса редокс-активных полимеров, показавших высокие и обратимые емкости. 

Рис. 2 Принцип работы нового типа аккумулятора

Молодежная лаборатория в ФИЦ ПХФ и МХ РАН активно продолжает свои исследования, направленные на разработку металл-ионных аккумуляторов на органической основе. Так, в последней работе, вышедшей в журнале Molecules и описывающей материал на основе сополимера из производных антрахинона, был сделан значительный шаг вперед в сфере обеспечения долговременной стабильности аккумуляторов.

«Разработка нового полимерного катодного материала на основе антрахинона и хинизарина позволила улучшить характеристики как литиевых, так и калиевых источников тока. Для литиевых ячеек мы получили стабильную разрядную емкость >400 мА*ч/г и стабильную работу в течение 1000 заряд-разрядных циклов, что не уступает показателям лучших неорганических электродных материалов. Для калиевых ячеек мы продемонстрировали >3000 заряд-разрядных циклов без потери емкости, что является одним из рекордов для данного типа устройств».

Заведующая лабораторией, к.х.н. Краевая Ольга Александровна