Forskere udvikler superhurtig opladning, højkapacitets kaliumbatterier

Skoltech-forskere i samarbejde med forskere fra Institute for Problems of Chemical Physics af RAS og Ural Federal University har vist, at høj kapacitet, højeffektbatterier kan fremstilles af organiske materialer uden lithium eller andre sjældne grundstoffer. Ud over, de demonstrerede katodematerialers imponerende stabilitet og registrerede høj energitæthed i hurtig opladning/afladning af kaliumbaserede batterier. Resultaterne af deres undersøgelser blev offentliggjort i Journal of Materials Chemistry A , det Journal of Physical Chemistry Letters og Kemisk kommunikation .

Lithium-ion-batterier er meget brugt til energilagring, især inden for bærbar elektronik. Efterspørgslen efter batterier stiger på grund af den hurtige udvikling af elektriske køretøjer med høje krav til lithium. For eksempel, Volvo har til hensigt at øge andelen af ​​elbiler til 50 procent af sit samlede salg inden 2025, og Daimler annoncerede sine planer om helt at opgive forbrændingsmotorer, lægge vægten på elbiler.

Imidlertid, massebrug af lithium-ion-batterier forværrer den akutte mangel på ressourcer, der er nødvendige for deres produktion. Overgangsmetaller, der almindeligvis anvendes i katoder, såsom kobolt, nikkel og mangan, er ret sjældne, dyrt og giftigt. Mens det meste af det mindre almindelige lithium produceres af en håndfuld lande, det globale udbud af lithium er for ringe til at erstatte alle konventionelle biler med elektriske køretøjer drevet af lithiumbatterier. Som anslået af det tyske forskningscenter for energiøkonomi (FFE), knapheden på lithiumreserver kan blive et stort problem i de kommende årtier. For nylig, forskere har foreslået at se på alternativer som natrium og kalium, som ligner lithium i kemiske egenskaber.

Skoltech-forskere ledet af professor Pavel Troshin har gjort betydelige fremskridt i udviklingen af ​​natrium- og kaliumbatterier baseret på organiske katodematerialer. Deres forskningsresultater blev rapporteret i tre publikationer i top internationale videnskabelige tidsskrifter.

Deres første papir præsenterer en polymer, der indeholder hexaazatriphenylen-fragmenter. Det nye materiale viste sig at være lige så velegnet til lithium, natrium- og kaliumbatterier, der oplades på 30 til 60 sekunder, mens de bevarer deres energilagringskapacitet efter tusindvis af opladnings-afladningscyklusser. "Alsidighed er en af ​​de vigtigste fordele ved organiske materialer, " forklarer den første forfatter af papiret og Skoltech Ph.D.-studerende Roman Kapaev. "Deres redoxmekanismer er meget mindre specifikke for mod-ionens natur, hvilket gør det nemmere at finde et alternativ til lithium-ion-batterier. Med lithiumpriserne stiger, det giver mening at erstatte det med det billigere natrium eller kalium, der aldrig løber tør. Hvad angår uorganiske materialer, tingene er meget mere komplicerede."

Ulempen er, at de hexaazatriphenylen-baserede polymerkatoder har et lavt driftspotentiale (ca. 1,6 V volt i forhold til K+/K potentiale). hvilket resulterer i nedsat energilagringskapacitet. I deres andet papir, forskerne foreslog et andet materiale, en dihydrophenazin-baseret polymer, der ikke har denne ulempe og sikrer en stigning i batteriets gennemsnitlige driftsspænding op til 3,6 volt.

"Aromatiske polymeraminer kan lave fremragende højspænding organiske katoder til metal-ion batterier. I vores undersøgelse, vi brugte poly-N-phenyl-5, 10-dihydrophenazin i kaliumbatteriets katode for første gang. Ved at optimere elektrolytten grundigt, vi opnåede specifik energi på 593 Wh/kg, en rekordhøj værdi for alle de nuværende kendte K-ion batterikatoder, " forklarer den første forfatter til undersøgelsen og Skoltech Ph.D.-studerende Philipp Obrezkov.

Et stort problem i metal-ion-batterier, især dem med en metalanode, er væksten af ​​metaldendritter ind i cellen, som forårsager kortslutninger, ofte ledsaget af brand og endda eksplosion. Udskiftning af rene alkalimetaller med deres legeringer i flydende form ved batteriets driftstemperatur kan forhindre sådanne hændelser. Dette blev for nylig foreslået af professor John B. Goodenough, en nobelprisvinder i 2019.

Den lavtsmeltende kalium- og natriumlegering (NaK) er kendt for at indeholde omkring 22 vægtprocent natrium og har et smeltepunkt på -12,7 grader Celsius.

I deres tredje undersøgelse, forskerne brugte en lignende kalium-natrium-legering anvendt på carbonpapir som en anode og de redoxaktive polymerer, der blev opnået tidligere, som katoder. Sådanne batterier kan oplades-aflades på mindre end 10 sekunder. Interessant nok, en af ​​polymerkatoderne udviste den højeste energikapacitet for kaliumbatterier, mens den anden viste fremragende stabilitet, med kun 11 procent af kapaciteten tabt efter 10, 000 opladnings-/afladningscyklusser. Også, batterierne baseret på disse to materialer viste uovertrufne effektegenskaber på næsten 100, 000 W/kg, et niveau typisk for superkondensatorer.

"I øjeblikket, metalion-batterier og superkondensatorer er de mest almindelige energilagringsløsninger, " siger teamleder Pavel Troshin. "Den tidligere lagrer meget energi pr. masseenhed, men oplader langsomt og mister kapacitet ret hurtigt efter et antal cyklusser, der henviser til, at sidstnævnte oplader hurtigt og modstår titusindvis af cyklusser, men har dårlig lagerkapacitet. Vi viste, at elektroaktive organiske materialer kan bane vejen for en ny generation af elektrokemiske energilagringsenheder, der kombinerer fordelene ved metalion-batterier og superkondensatorer, dermed eliminerer behovet for dyre overgangsmetalforbindelser og lithium."