Szuper gyors töltés nagy kapacitású kálium akkumulátorok szerves polimerek alapján

A Skoltech kutatói a RAS Kémiai Fizikai Problémák Intézetének és az Urali Szövetségi Egyetem tudósaival együttműködve kimutatták, hogy nagy kapacitású nagy teljesítményű akkumulátorok szerves anyagokból is előállíthatók lítium vagy más ritka elemek felhasználása nélkül. Emellett demonstrálták a katódanyagok lenyűgöző stabilitását, és nagy energiasűrűséget rögzítenek a kálium-alapú gyors töltésű/kisütő akkumulátorokban. Vizsgálataik eredményét a Journal of Materials Chemistry A, a Journal of Physical Chemistry Letters and Chemical Communications publikálta.

A lítium-ion akkumulátorok nélkülözhetetlenek a mindennapi életben: széles körben használják őket energiatárolásra, különösen a hordozható elektronikában. Az akkumulátorok iránti kereslet növekszik az egyre növekvő beruházásokat vonzó elektromos járművek gyors fejlődése miatt. Például a Volvo 2025-re szándékozik növelni az elektromos járművek részesedését a teljes értékesítés 50% -áig, és a Daimler bejelentette a belső égésű motorok teljes felhagyásának tervét, a hangsúlyt az elektromos járművekre helyezve.

A lítium-ion akkumulátorok tömeges felhasználása azonban előtérbe hozza az előállításukhoz szükséges erőforrások hiányát. A katódokban általánosan használt átmeneti fémek, például a kobalt, a nikkel és a mangán meglehetősen ritkák, drágák és mérgezőek is. Míg a kevésbé elterjedt lítium nagy részét néhány ország állítja elő, a globális lítiumellátás túl gyér ahhoz, hogy az összes hagyományos gépjárművet lítium akkumulátorral működő elektromos járművekre cseréljék. A Német Energetikai Kutatóközpont (FFE) becslései szerint a lítiumkészletek szűkössége az elkövetkező évtizedekben fő kérdéssé válhat. A közelmúltban a tudósok más alternatívák megvizsgálását javasolták, például a nátriumot és a káliumot, amelyek kémiai tulajdonságaikban hasonlóak a lítiumhoz.

A Pavel Troshin professzor által vezetett Skoltech kutatók jelentős előrelépéseket tettek a szerves katód anyagokon alapuló nátrium- és káliumelemek kifejlesztése terén. Kutatási eredményeikről a nemzetközi tudományos folyóiratok három publikációjában számoltak be.

Első dolgozatuk olyan polimert mutat be, amely hexaazatrifenilén-fragmenseket tartalmaz. Az új anyag ugyanolyan alkalmasnak bizonyult a lítium-, nátrium- és kálium-akkumulátorokhoz, amelyek 30–60 másodperc alatt töltődnek fel, miközben több ezer töltési-kisütési ciklus után megőrzik energiatárolási kapacitásukat. "A sokoldalúság a szerves anyagok egyik legfontosabb előnye" - magyarázza a cikk első szerzője és a Skoltech PhD hallgatója, Roman Kapaev. „Redox mechanizmusaik sokkal kevésbé specifikusak az ellenion jellegére, ami megkönnyíti a lítium-ion akkumulátorok alternatívájának megtalálását. A lítium árának emelkedésével van értelme olcsóbb nátriummal vagy káliummal helyettesíteni, amely soha nem fog elfogyni. Ami a szervetlen anyagokat illeti, a dolgok sokkal bonyolultabbak. ”

Hátránya, hogy a hexaazatrifenilén alapú polimer katód alacsony működési potenciállal rendelkezik (kb. 1,6 V volt a K +/K potenciálhoz viszonyítva), ami csökkent energiatárolási kapacitást eredményez. Második cikkükben a tudósok egy másik anyagot, egy dihidrofenazin-alapú polimert javasoltak, amelynek nincs ilyen hátránya, és biztosítja az akkumulátor átlagos üzemi feszültségének akár 3,6 voltos növekedését. „Az aromás polimer aminok kiváló nagyfeszültségű szerves katódokat képesek előállítani a fémionos akkumulátorokhoz. Vizsgálatunk során először a poli-N-fenil-5,10-dihidrofenazint használtuk a kálium-akkumulátor katódban. Az elektrolit alapos optimalizálásával 593 W × h/kg fajlagos energiát kaptunk, ami rekordmagas értéket jelent az összes jelenleg ismert K-ion akkumulátor katód számára. ”- magyarázza a tanulmány első szerzője és a Skoltech PhD hallgatója, Philipp Obrezkov.

A fém-ion akkumulátorok, különösen a fémanóddal rendelkezõ elemek fõ kérdése a fém dendritek, amelyek rövidzárlatot okozva a cellába növekednek, gyakran tüzzel és akár robbanással is. Ennek elkerülése érdekében a tiszta alkálifémeket az ötvözeteikkel helyettesíthetjük, amelyek az akkumulátor üzemi hőmérsékletén folyékonyak. Ezt a közelmúltban John B. Goodenough professzor, a Nobel-díjas 2019-es javaslat javasolta. Az alacsony olvadáspontú kálium- és nátriumötvözet (NaK) köztudottan körülbelül 22 tömegszázalék nátriumot tartalmaz, olvadáspontja -12,7 o C.

Harmadik tanulmányuk során a tudósok hasonló, a szénpapírra felvitt kálium-nátrium ötvözetet használtak anódként, a korábban kapott redox-aktív polimereket pedig katódként. Kiderült, hogy az ilyen akkumulátorok kevesebb, mint 10 másodperc alatt tölthetők-lemeríthetők. Érdekes módon az egyik polimer katód a legnagyobb kálium-akkumulátorok energiakapacitását mutatta, míg a másik kiváló stabilitást mutatott, csak 10 000 töltési/kisütési ciklus után a kapacitás csak 11% -a veszett el. Ezenkívül az e két anyagon alapuló akkumulátorok páratlan teljesítményjellemzői közel 100 000 W/kg voltak - ez a szint a szuperkondenzátorokra jellemző.

"Jelenleg a fémionos akkumulátorok és a szuperkondenzátorok a leggyakoribb energiatárolási megoldások" - kommentálja a csapat vezetője, Pavel Troshin. „Az előbbiek rengeteg energiát tárolnak tömegegységenként, de lassan töltődnek fel, és több ciklus után meglehetősen gyorsan elveszítik a kapacitásukat, míg az utóbbiak gyorsan töltődnek és több tízezer ciklust bírnak el, de gyenge a tárolási kapacitásuk. Megmutattuk, hogy az elektroaktív szerves anyagok előkészíthetik az utat az elektrokémiai energiatároló eszközök új generációja számára, ötvözve a fémion-akkumulátorok és a szuperkondenzátorok előnyeit, ezáltal kiküszöbölve a költséges átmenetifém-vegyületek és a lítium szükségességét. "

„Hexaazatrifenilén alapú polimer katód gyors és stabil lítium-, nátrium- és kálium-ion akkumulátorokhoz”, Roman R. Kapaev, Ivan S. Zhidkov, Ernst Z. Kurmaev, Keith J. Stevenson és Pavel A. Troshin, 2019. szeptember 23., Journal of Material Chemistry A.
DOI: 10.1039/C9TA06430C

Filipp A. Obrezkov, Vahid Ramezankhani, Ivan Zhidkov, Valerii F. Traven, Ernst Z. Kurmaev, Keith J. Stevenson és „Nagy energiájú és nagy sűrűségű kálium-ion akkumulátorok, amelyek dihidrofenazin-alapú polimert használnak aktív katódanyagként”. Pavel A. Troshin, 2019. szeptember 7., Journal of Physical Chemistry Letters.
DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b02039

„A fémionos akkumulátorok találkoznak a szuperkondenzátorokkal: nagy kapacitású és nagy teljesítményű újratölthető elemek szerves katódokkal és Na/K ötvözetű anóddal” - írta Roman R. Kapaev, Filipp A. Obrezkov, Keith J. Stevenson és Pavel A. Troshin, szeptember 4. 2019, Chemical Communications.
DOI: 10.1039/C9CC05745E