Калий-ионные аккумуляторы (КИА) рассматриваются как одна из наиболее перспективных альтернатив литий-ионным технологиям, особенно для масштабного накопления энергии. Калий значительно более распространён в природе, чем литий, и его ресурсы практически неисчерпаемы, что делает КИА привлекательными как с экономической, так и с геополитической точки зрения. Однако разработка таких аккумуляторов сталкивается с серьёзными трудностями, связанными с тем, что традиционные неорганические катодные материалы специфичны к типу интеркалирующегося катиона и хорошо работают лишь с литием. Таким образом, проблема поиска новых катодных материалов для КИА является одной из ключевых.

В поисках решения группа исследователей из России сосредоточилась на органических электродных материалах. Их ключевые преимущества – структурная гибкость и возможность молекулярного дизайна, что позволяет создавать материалы с высокой плотностью активных центров и способностью обратимо связывать крупные ионы калия. Одна из последних работ коллектива посвящена применению азотсодержащего ароматического соединения – трифеназино[2,3-b]гексаазатрифенилена (TPHATP) – в качестве катода для калиевых аккумуляторов.

Малые молекулы и ковалентные органические каркасы с фрагментами гексаазатрифенилена (HATP) и гексаазатринафтилена (HATNA) ранее уже зарекомендовали себя в качестве перспективных катодных материалов для КИА. Основной задачей данной работы было расширение π-системы молекул такого типа и увеличение концентрации в них редокс-активных азот-содержащих центров, что и было достигнуто в результате синтеза TPHATP.

Синтезированный материал продемонстрировал отличные электрохимические характеристики. В полуячейке с калиевым анодом материал показал высокую удельную ёмкость до 350 мА·ч/г при низкой плотности тока, что соответствует впечатляющей энергетической плотности около 700 Вт·ч/кг. После оптимизации режима работы аккумулятор сохранял стабильную ёмкость около 200 мА·ч/г на протяжении более 600 циклов.

Наиболее ярким результатом исследования стала исключительная толерантность аккумуляторов на основе TPHATP к низким температурам. При охлаждении до экстремальной температуры -50 °C аккумулятор сохранил 73% от своей начальной ёмкости, демонстрируя величину 147 мА·ч/г. После возвращения к комнатной температуре ёмкость полностью восстанавливалась, что свидетельствует об обратимости процессов и отсутствии деградации, вызванной холодом. Такой результат превосходит показатели многих современных неорганических аналогов и открывает путь к созданию источников питания для работы в условиях Крайнего Севера, высокогорья, космоса и других экстремальных сред.

Таким образом, работа демонстрирует успешный пример рационального молекулярного дизайна органического электродного материала, который не только решает фундаментальные проблемы калиевых аккумуляторов, но и значительно расширяет диапазон рабочих температур этих устройств. Дальнейшие усилия будут направлены на подавление растворения активного материала, например, путём создания полимерных структур на его основе.

В исследовании принимали участие научные сотрудники ФИЦ ПХФ и МХ РАН: О. Краевая, И. Лебедева, Г. Баймуратова, А. Москаев, Т. Савиных, А.Шестаков и П.А. Трошин

С участием:

 – Институт органической химии им. Н. Д. Зелинского Российской академии наук
– Институт физики и технологии Уральского федерального университета
– Институт физики металлов им. М. Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук
– Чжэнчжоуский исследовательский институт Харбинского политехнического университета (HIT), Китай

Olga A. Kraevaya, Irina I. Lebedeva, Yuriy I. Baluda, Guzaliya R. Baymuratova, Andrey V. Maskaev, Ivan S. Zhidkov, Tatiana A. Savinykh, Alexander F. Shestakov and Pavel A. Troshin // A nitrogen-rich phenazine-fused hexaazatriphenylene cathode enables low-temperature potassium battery operation at −50 °C // Chemical Communications, IF=4.2

https://doi.org/10.1039/D5CC05322F