Новая разработка материалов стало продолжением многолетней работы по этой тематики, результаты которой уже были отмечены публикациями в журналах Chemical Communications, The Journal of Physical Chemistry Letters и Journals of Materials Chemistry A. На сегодняшний день опубликованы новые статьи в Journal of Power Sourсes и Molecules  об этой разработке. Анодные и катодные материалы, полученные на основе полимерных производных антрахинона, показали высокие удельные емкости и энергоемкости, а также хорошую циклируемость. Короткие времена заряда/разряда разработанных калиевых источников тока на органической основе позволяют их рассматривать как альтернативу суперконденсаторам.

Во всем мире сейчас активно идет разработка следующих поколений металл-ионных аккумуляторов, в первую очередь – натрий- и калий-ионных. Однако замена лития в металл-ионных аккумуляторах на натрий и калий требует и создания новых материалов для катода и анода. В качестве типичных электродных материалов в современных аккумуляторах используются оксиды или соли тяжелых металлов (катод) и графит (анод), между которыми в ходе зарядки и разрядки «курсируют» ионы лития. Ионы натрия и калия значительно больше по размеру, потому они попросту не способны внедряться в структуру тех катодных материалов, которые работают с ионами лития. Аналогично, натрий не внедряется в графитовый анод, а калий делает это с трудом. Поэтому нужны принципиально новые материалы, а найти их среди неорганических соединений не так просто.
Инновационный подход в этой области разрабатывается в Лаборатории перспективных электродных материалов для химических источников тока в Федеральном исследовательском центре проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук (ФИЦ ПХФ и МХ РАН). Исследователи Лаборатории решили заменить неорганические катоды и аноды на органические соединения – они, как правило, не имеют жесткой кристаллической решетки, являются аморфными и поэтому с легкостью принимают не только катионы лития, но также калия и натрия, что является ключевым аспектом для развития новых аккумуляторных технологий. Рекордная энергоемкость калий-ионных аккумуляторов была достигнута с использованием органических катодов, разработанных в Институте проблем химической физики РАН (позже реорганизованного в ФИЦ ПХФ и МХ РАН) в 2019 году. Позднее, этот рекорд был улучшен в другой работе авторов – энергоемкость нового органического катода составила 696 Вт*ч/кг. Эта величина уже никак не уступает характеристикам наиболее часто применяемых в промышленности неорганических катодов для литий-ионных аккумуляторов на основе литий-железо-фосфата (LFP, удельная энергоёмкость 586 Вт*ч/кг) и кобальтата лития (LCO, удельная энергоёмкость ~660 Вт*ч/кг). Однако для создания калий-ионного аккумулятора нужны не только катодные материалы, но и анодные – решением стало использование нового класса редокс-активных полимеров, показавших высокие и обратимые емкости. 

Молодежная лаборатория в ФИЦ ПХФ и МХ РАН активно продолжает свои исследования, направленные на разработку металл-ионных аккумуляторов на органической основе. Так, в последней работе, вышедшей в журнале Molecules и описывающей материал на основе сополимера из производных антрахинона, был сделан значительный шаг в плане обеспечения долговременной стабильности аккумуляторов. Заведующая лабораторией, к.х.н. Краевая Ольга Александровна следующим образом характеризует результаты, представленные в недавней публикации ее коллектива: «Разработка нового полимерного катодного материала на основе антрахинона и хинизарина позволила улучшить характеристики как литиевых, так и калиевых источников тока. Для литиевых ячеек мы получили стабильную разрядную емкость >400 мА*ч/ги, стабильную работу в течение 1000 заряд-разрядных циклов, что не уступает показателям лучших неорганических электродных материалов. Для калиевых ячеек мы продемонстрировали >3000 заряд-разрядных циклов без потери емкости, что является одним из рекордов для данного типа устройств».

Высокие емкостные характеристики разработанных электродных материалов в совокупности с великолепной стабильностью и быстродействием калиевых источников тока (полный заряд и разряд аккумулятора за несколько минут) открывают широкие возможности для их практического использования, например, в качестве дешевых и надежных стационарных накопителей энергии высокой емкости. Также их можно рассматривать как более эффективную альтернативу суперконденсаторам: калий-ионные аккумуляторы на органической основе показали сопоставимые мощностные характеристики (до 100 кВт/кг), но обеспечивают на порядок большие емкости, немного проигрывая пока только в циклируемости.

Пресс-служба ФИЦ ПХФ и МХ РАН