Исследователи из Черноголовки успешно создали инновационные органические материалы для электродов в калий-ионных аккумуляторах. Последние научные достижения, представленные в известных изданиях, таких как Chemical Communications, The Journal of Physical Chemistry Letters и Journals of Materials Chemistry A, были продолжены новыми статьями в Journal of Power Sourсes и Molecules. Электроды, разработанные на основе полимерных производных антрахинона, проявили выдающиеся характеристики по удельным емкостям, энергоемкостям и циклируемости. Заряд/разряд калий-ионных источников тока на органической основе занимает минимальное время, что открывает перспективы рассмотрения их в качестве альтернативы суперконденсаторам.
С каждым годом наше повседневное существование становится более захватывающим и разнообразным, благодаря внедрению различных портативных устройств. Начиная с момента появления мобильных телефонов и ноутбуков, сегодня мы имеем множество гаджетов, улучшающих не только наше развлечение, но и помогающих в быту: роботы заботятся о нашем доме, моют окна и даже осуществляют доставку продуктов. Электрификация транспорта также становится все более популярной: всего несколько лет назад электрические автомобили были чем-то необычным, а теперь мы видим электробусы в Москве, и столица лидирует в Европе по уровню электрификации общественного транспорта. Мы наслаждаемся быстротой технологического прогресса и открываем для себя новые "электронные горизонты". Однако, есть потенциальная угроза, которая может сделать будущее менее оптимистичным, если цены на привычные гаджеты выйдут из-под контроля, и электромобили станут недоступной роскошью.
Основным элементом современной электроники является литий-ионный аккумулятор, содержащий большое количество лития. Литий, химический элемент, встречается редко и, как правило, в ограниченных количествах. Отдельные страны, такие как Чили, Австралия, Аргентина, Китай и другие, могут похвастаться значительными месторождениями лития. Но даже если использовать весь литий из земной коры для создания литий-ионных аккумуляторов, это не будет достаточно для электрификации мирового транспорта. Проблему усугубляет трудность извлечения лития из отработанных аккумуляторов.
Узнав о серьезном дефиците лития в мире, цены на его соединения резко выросли в конце 2022 года. Хотя затем произошел небольшой спад, к концу 2023 года стоимость лития снова значительно возросла, и тенденция к постоянному удорожанию сохраняется из-за острой нехватки для нужд быстрорастущей аккумуляторной промышленности.
Очевидно, что требуется альтернативная технология хранения энергии, не связанная с литием. Натрий и калий представляют собой логичную замену, так как это химические элементы, близкие к литию и обладающие сопоставимыми техническими характеристиками. Более того, ресурсы натрия и калия являются почти неограниченными, что делает их значительно более доступными с экономической точки зрения по сравнению с литием.
К сожалению, замена лития на натрий или калий в аккумуляторах не так проста. Современные аккумуляторы используют типичные электродные материалы, такие как оксиды или соли тяжелых металлов (катод) и графит (анод), где ионы лития "перемещаются" в процессе зарядки и разрядки. Размеры ионов натрия и калия существенно превосходят размеры ионов лития, что делает невозможным их вмещение в структуру катодных материалов, предназначенных для работы с ионами лития. Проблема также заключается в том, что натрий не взаимодействует с графитовым анодом, а калий делает это с трудом. В результате требуются совершенно новые материалы, особенно среди неорганических соединений.
Лаборатория перспективных электродных материалов в Федеральном исследовательском центре проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук (ФИЦ ПХФ и МХ РАН) представляет инновационный подход в этой области. Замена неорганических катодов и анодов органическими соединениями, обладающими аморфной структурой, позволяет им легко взаимодействовать с катионами не только лития, но и калия и натрия. Это крайне важно для разработки новых технологий аккумуляторов. Рекордная энергоемкость калий-ионных аккумуляторов была достигнута с использованием органических катодов, представленных в 2019 году Институтом проблем химической физики РАН (позднее реорганизованным в ФИЦ ПХФ и МХ РАН). Этот рекорд позже был улучшен до 696 Втч/кг. Эти показатели конкурентоспособны с использованием неорганических катодов, таких как литий-железо-фосфат (LFP, удельная энергоемкость 586 Втч/кг) и кобальтат лития (LCO, удельная энергоемкость ~660 Вт*ч/кг) в промышленности. Однако для создания калий-ионных аккумуляторов необходимы не только катодные материалы, но и анодные. Это было решено с использованием нового класса редокс-активных полимеров с высокой и обратимой емкостью.
Молодежная лаборатория в ФИЦ ПХФ и МХ РАН активно работает над разработкой металл-ионных аккумуляторов на основе органических материалов. Последнее исследование, опубликованное в журнале Molecules, описывает материал на основе сополимера, представляющего собой значительный прогресс в обеспечении долговременной стабильности аккумуляторов. Заведующая лабораторией, к. х. н. Ольга Александровна Краевая, подчеркивает, что новый полимерный катодный материал, основанный на антрахиноне и хинизарине, позволил улучшить характеристики как литиевых, так и калиевых источников тока. Для литиевых ячеек достигнута стабильная разрядная емкость более 400 мА*ч/г и стабильная работа в течение 1000 заряд-разрядных циклов, не уступающая лучшим неорганическим материалам. Для калиевых ячеек продемонстрировано более 3000 заряд-разрядных циклов без потери емкости, что является рекордом для данного типа устройств.
Выдающиеся характеристики электродных материалов, вместе с устойчивостью и быстродействием калиевых источников тока (полный цикл зарядки и разрядки за несколько минут), открывают широкие перспективы их использования в качестве стационарных высокоемких накопителей энергии. Такие калий-ионные аккумуляторы на органической основе также рассматриваются как более эффективная альтернатива суперконденсаторам: они обладают сравнимой мощностью (до 100 кВт/кг), но обеспечивают гораздо большие емкости, хотя пока чуть уступают в цикличности.