Литий-ионные аккумуляторы – основа современной портативной электроники и электротранспорта – уже приближаются к своему максимуму возможной удельной энергоемкости, при этом стоимость лития стремительно растет. В связи с этим для многих приложений активно разрабатывается более доступная альтернатива литий-ионным аккумуляторам, в том числе натрий-ионные системы, в которых запасание энергии осуществляется переносом ионов натрия от анода к катоду и обратно. Ведутся работы и по калий-ионным аккумуляторам, которые могут иметь лучшие характеристики, чем натрий-ионные. Однако изготовление таких устройств требует создания новых материалов для всех основных компонентов – анода, катода и электролита. В черноголовском ФИЦ Проблем химической физики и медицинской химии РАН исследователи разработали органические материалы для катодов калий-ионных аккумуляторов с рекордной удельной энергоемкостью. Работа опубликована в Journal of Materials Chemistry A.

В новой работе химики из Черноголовки предложили сразу два полимерных органических катодных материала, которые могут быть получены из трихиноила и тетрааминоферазина. Авторы использовали разнообразные спектроскопические и физико-химические методы для того, чтобы полностью охарактеризовать структуру получившихся ковалентных органических каркасов, в структуру которых встраиваются ионы калия  при работе калий-ионных аккумуляторов. При этом синтезы обоих полимеров достаточно просты, проходят в одну стадию и легко масштабируются.

Тестирование свойств этих материалов как катодов для калий-ионных аккумуляторов показало, что они обладают рекордной удельной энергоемкостью – 800-950 Вт*ч/кг.

«Наша последняя работа посвящена синтезу новых катодных материалов для калий-ионных аккумуляторов. Уникальность органических электродов состоит в том, что они совместимы практически с любыми типами металл-ионных аккумуляторов: литий-, натрий- калий-, магний-, цинк-ионными. Кроме того, за счет аморфности органических материалов ионы способны очень быстро встраиваться в структуру, что открывает возможности для быстрого заряда и разряда аккумулятора» – рассказывает первый автор опубликованной работы, аспирант ФИЦ ПХФ и МХ РАН Елена Щурик.

Сравнение результатов работы с опубликованными ранее данными

Обладают катоды и еще одним важным качеством, критически важны для металл-ионных аккумуляторов: они прекрасно работают при низких температурах (от +20 до -55 градусов), лишь незначительно теряя в емкости. Это открывает возможности для применения подобных аккумуляторов для различных приложений, в том числе – в аэрокосмических технологиях.

Пресс служба ФИЦ ПХФ и МХ РАН