Российские ученые из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН совместно с коллегами из других научных центров России и Китая разработали перспективный органический катод для калиевых аккумуляторов, способный эффективно работать при экстремально низких температурах. Результаты исследования опубликованы в международном рецензируемом издании Chemical Communications.
Калий-ионные аккумуляторы рассматриваются как привлекательная альтернатива литий-ионным источникам энергии благодаря существенно более широким запасам калия в природе и невысокой себестоимости изделий. Однако традиционные неорганические катоды плохо подходят для физически крупных ионов калия, что ограничивает эффективность и рабочий диапазон таких батарей. Решение этой проблемы стало целью российской научной группы.
Инновационный органический катод: особенности и преимущества
В основе разработки — новый полимерный органический материал с труднопроизносимым названием трифеназино[2,3-b]гексаазатрифенилен (англ. triphenazino[2,3-b](1,4,5,8,9,12-hexaazatriphenylene, сокращенно TPHATP), азотсодержащее ароматическое соединение с множественными редокс-активными центрами.
Благодаря структурной гибкости органики и возможности точной молекулярной настройки катод обладает высокой плотностью активных центров, что обеспечивает повышенную удельную энергоемкость.
Тестирование прототипов батарей демонстрирует рекордные энергетические показатели для органических катодов — до 800–950 Вт·ч/кг. Катоды сохраняют работоспособность при температурах от −20 до −55°C с незначительным снижением емкости. Это делает такие аккумуляторы перспективными для эксплуатации в арктических условиях, в аэрокосмической технике, на высокогорье и в других экстремальных средах.
Использованные в образцах органические материалы отличаются сравнительной простотой синтеза и масштабируемостью производства, что может ускорить их внедрение и позволит существенно снизить себестоимость батарей по сравнению с литий-ионными аналогами.
Перспективы развития
Переход к калий-ионным технологиям является частью глобального тренда на поиск альтернатив литий-ионным аккумуляторам, которые сталкиваются с ограниченностью ресурсов и высокой стоимостью сырья. Органические электродные материалы — одно из наиболее многообещающих направлений в этом контексте, так как они могут обеспечить большую плотность энергии на единицу массы и более гибкие электрохимические свойства благодаря многообразию органических полимеров.
Активное исследование органических катодов ведется и в других лабораториях мира. Разработка новых полимеров и сложных органических структур продолжает повышать энергоемкость и стабильность калий-ионных батарей, что подтверждается публикациями в ведущих научных журналах.
Органические катоды могут быть совместимы не только с калиевыми, но и с другими ионными аккумуляторами — натрий-, магний- и цинк-ионными — благодаря высокой структурной гибкости полимеров, что открывает перспективы для универсализации энергетических систем будущего.
Бьют, гнут и морозят: Hi-Tech Mail рассказал, как тестируют батареи смартфонов в экстремальных условиях.
