Ученые из СПбГУ разработали новый тип аккумулятора, который будет заряжаться в 10 раз быстрее литий-ионного

Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Batteries & Supercaps.

Санкт-Петербург, 31 мар - ИА Neftegaz.RU. Химики из Санкт-Петербургского государственного университета создали новый тип аккумулятора, который может заряжаться в 10 раз быстрее литий-ионного, а также является более безопасным.

Об этом сообщила пресс-служба вуза.

Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Batteries & Supercaps.

Новая разработка более безопасна как с точки зрения вероятности возгорания, так и последствий его утилизации для окружающей среды.

Сегодня у аккумуляторов литий-ионного типа есть ряд серьезных недостатков, среди которых, в т.ч. возможное возгорание, потеря емкости на холоде, а также существенная угроза экологии при утилизации исчерпавших свой ресурс батарей. Низкая эффективность литий-ионных аккумуляторов - это одно из препятствий на пути повышения дальности пробега автомобилей и увеличения автономности мобильной техники.

Проблему пытаются решить во всем мире.

В декабре 2020 г. дерзкие исследователи из Калифорнийского университета в г. Сан-Диего уже анонсировали новый тип аккумулятора, емкость которого тоже в 10 раз выше по сравнению с традиционными батарейками:

напечатали его на 3D-принтере;
использовали известную технологию создания цинковых аккумуляторов на основе оксида серебра;
подобрали чернила для 3D печати;
печать производилась в вакууме, поэтому окисления материалов не случилось;
характеристики нового аккумулятора:

аккумулятор гибкий;
емкость 50 миллиампер на квадратный сантиметр (мА/см²), что до 20 раз выше, чем у обычной литий-ионной батарейки;
после 80 циклов зарядки аккумулятор не потерял своей емкости.

А ученые из СПбГУ метко подметили, что редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры тоже можно попробовать в качестве основы для новых аккумуляторов.

Редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры

Для любознательных напомним, что редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры относятся к классу редокситов ( есть редокс-полимеры, редокс-иониты, адсорбционные редокситы).
Редокс-полимеры содержат активные группы в строго фиксированном положении.
В качестве активных групп могут выступать гидрохинон, пирогаллол, пирокатехин, антрахинон, и др.

Преимущества редокситов:

высокая плотность энергии (количество энергии на единицу объема);
скорость зарядки и разрядки в результате окислительно-восстановительных реакций.

Способность к реакциям окисления и восстановления вообще открывает перспективы использования редокситов в различных отраслях промышленности для проведения окислительно-восстановительных процессов.

Недостатки:

недостаточная электрическая проводимость, которая мешает накоплению заряда даже при использовании добавок с высокой проводимостью, например, угля.

Для устранения недостатков ученые СПбГУ синтезировали полимер на основе комплекса никель-сален (NiSalen).

NiSalen

входит в группу материалов с включениями атомов переходных металлов, которые благодаря нахождения в различных зарядовых состояниях проявляют высокую реакционную способность;
мономер, металлополимер с металлическим центром (Ni) с окружением (лигандом -Salen);
обладает сравнительной простотой изготовления, стабильностью фазового состава и термостойкости;
разветвленная система ж - сопряжений и перекрытие электронных оболочек атома металла и лиганда обеспечивает мономеру повышенную фото- и электроактивность;
структура мономерной молекулы и свойства полимерных образцов на ее основе при нахождении в электролите достаточно изучены;
синтез полимерных пленок на основе NiSalen осуществлялся методом электрохимической полимеризации, который позволяет контролировать процесс роста и необходимую толщину получаемых образцов;
может существовать в окисленной и восстановленной форме, обратимо переходить из одного состояния в другое с сохранением электронной структуры супрамолекулы, что определяет его основные физические свойства.

Молекулы синтезированного питерскими учеными полимера выступают в качестве молекулярной проволоки, на которую прикреплены энергоемкие нитроксильные фрагменты.
Такая молекулярная архитектура материала позволяет добиться одновременно высоких мощностных, емкостных и низкотемпературных характеристик.
Разработка полимера велась более 3^х лет.

Сначала химики проверяли концепцию нового материала: смешивали отдельные компоненты, моделирующие проводящую цепь, и редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры.

Затем начался этап синтеза вещества.

Этот этап стал особенно сложным из-за чувствительности задействованных компонентов, которые легко могут разрушиться при малейшей ошибке ученого.

Из нескольких полученных полимеров только один оказался стабильным и работоспособным.
Основную цепь нового материала образуют комплексы никеля с лигандами, которые называются «сален».
К ней через ковалентные связи присоединили стабильный свободный радикал, который обладает способностью к быстрому окислению и восстановлению (заряду и разряду).

Новая разработка будет заряжаться примерно в 10 раз быстрее, чем литий-ионный.
Но пока что разработка отстает от них на 30-40 % по емкости.
Ученые работают над этой проблемой.

Сегодня создан катод для нового аккумулятора - положительный электрод химического источника тока.
Ему в пару необходим отрицательный электрод - анод, который не обязательно создавать с нуля - его можно подобрать из уже существующих.
Вместе они образуют систему, которая в некоторых областях уже скоро может потеснить литий-ионные аккумуляторы.

Новый аккумулятор могут использовать в случаях, когда нужен быстрый заряд, а также при работе в низких температурных условиях.

В новой разработке также содержится в десятки раз меньше металлов, которые могут нанести экологический вред.
Сейчас ученые оформляют патент на свое изобретение.
Правообладателем станет СПбГУ.

Автор: А. Шевченко, О. Бахтина