Ultrahurtige metalionbatterier baseret på nyt organisk katodemateriale er blevet udviklet

Forskere fra Skoltech Center for Energy Science and Technology, IPCP RAS og D.I. Mendeleev University of Chemical Technology har designet et nyt polymerkatodemateriale til ultrahurtige metalionbatterier med overlegne egenskaber. Resultaterne af dette arbejde blev offentliggjort i Journal of Material Chemistry A .

I de seneste årtier har verdens energiforbrug er steget betydeligt på grund af befolkningstilvæksten, industrialisering og udvikling af en lang række husholdningsapparater og elektronik, med en særlig stigning i antallet af mobile enheder og elbiler. Der er derfor et presserende behov for at udvikle elektrokemiske energilagringsteknologier og -anordninger, der er i stand til at lagre tilstrækkelige mængder energi og frigive den hurtigt efter behov. På trods af at litium-ion-batterier baseret på uorganiske lagdelte oxider og fosfater dominerer markedet, yderligere forbedring af deres ydeevne er udfordrende, da de er sammensat af tunge elementer, der begrænser den opnåelige kapacitet.

Dette problem kan løses ved anvendelse af organiske forbindelser som katodematerialer. Organiske katoder giver fordele som høj energitæthed, imponerende ladning/afladningshastighed og god modstandsdygtighed over for stærke mekaniske deformationer. En anden vigtig fordel er deres miljøvenlighed, da organiske materialer kun består af naturligt rigelige elementer (C, H, N, O, S) og kan fås fra vedvarende ressourcer. I mangel af tungmetaller, deres genanvendelse kan gøres på samme måde som for almindeligt husholdningsaffald, f.eks. madplast. I øvrigt, brugen af ​​organiske katoder gør det muligt at udskifte dyre lithiumsalte i elektrolytten med meget billigere natrium- og kaliumanaloger.

Blandt de mange projekter fra professor Pavel Troshins forskerhold, der lægges særlig vægt på design af nye forbindelser af polyphenylamintype, som repræsenterer en af ​​de mest lovende familier af organiske katodematerialer til metalionbatterier.

"Katodematerialer baseret på polytriphenylamin og dets analoger beskrevet i litteraturen viser temmelig fremragende egenskaber ved metalionbatterier. Især de viser høje udladningspotentialer, god cykelstabilitet, og kan fungere ved høje ladnings-/afladningshastigheder. Imidlertid, lave specifikke kapaciteter begrænser kommercialisering af denne materialegruppe. Derfor, vi fokuserede vores indsats på molekylært design og syntese af en ny gruppe makromolekyler, som potentielt kan levere en højere energitæthed. Ja, et af de designede materialer viste en fremragende ydeevne under opladning og afladning ved de nuværende hastigheder på op til 200C (fuld opladning og afladning tager kun 18 sekunder, redaktørens note). Det er vigtigt, at udover lithium, det lykkedes os også at samle natrium- og kaliumionbatterier baseret på det samme materiale, "siger den første forfatter til det udgivne værk, Skoltech Ph.D. studerende, Filipp Obrezkov.

Dermed, de opnåede resultater bekræfter et betydeligt potentiale ved anvendelse af organiske forbindelser som katoder til ultrahurtige metalionbatterier. Videreudvikling af dette projekt kan resultere i udviklingen af ​​en ny generation af batterimaterialer med endnu højere specifik kapacitet og energitæthed, der kan opnås ved høje strømtætheder, som er presserende nødvendige for at imødekomme den nuværende og fremtidige efterspørgsel på markedet for bærbare enheder og elbiler.