Аккумуляторы станут лучше


Российские ученые создали особый полимерный материал для катодов аккумуляторов, позволяющий сократить время их зарядки до нескольких секунд и одновременно повысить их плотность вместе с временем службы. АКБ с новыми катодами смогут проработать до 70 лет и при этом сохранить около трети своей емкости.

Аккумуляторы станут лучше

Российские специалисты из «Сколтеха», Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева (РХТУ) и Института проблем химической физики (ИПХФ) разработали новые материалы на основе полимеров для использования их в качестве катода в современных аккумуляторах. Как сообщили CNews представители РХТУ, исследователи протестировали их в составе особых литиевых двухионных батарей и на выходе получили сверхбыстрые АКБ, заряжающиеся за несколько секунд.

Использование новых катодных материалов не только привело к сокращению времени, уходящего на подзарядку аккумулятора, но и позволило значительно продлить срок его службы. Такие АКБ способны выдерживать до 25 тыс. циклов перезарядки.

По заявлениям авторов новой технологии, с использованием катодов на ее основе могут быть созданы еще и калиевые двухионные аккумуляторы, в которых дорогостоящий и очень неэкологичный (даже на этапе производства) литий заменен на более доступный и менее редкоземельный и токсичный калий.

Два полимера и новый тип аккумулятора

Специалисты РХТУ, ИПХФ и «Сколтеха» синтезировали сразу два новых разветвленных полимера – сополимер дигидрофеназина и дифениламина и сополимер дигидрофеназина и фенотиазина. Тесты показали, что первый полимер намного лучше справляется с поставленной задачей – именно он позволил добиться полной зарядки АКБ за несколько секунд. Кроме того, при его использовании батарея способна пережить до 25 тыс. циклов перезарядки и сохранить при этом до трети своей емкости. Специалисты подсчитали, что при обычных условиях эксплуатации такой аккумулятор мог бы служить до 70 лет.

Новая российская технология протестирована, но пока не готова к коммерциализации.

В качестве анода ученые использовали металлический литий, но они также провели эксперимент и с калием. Батареи с анодом из этого материала и сополимером дигидрофеназина и фенотиазина в виде катода продемонстрировали повышенную плотность энергии – вплоть до 398 Втч/кг. Литиевые аккумуляторы с таким же катодом демонстрировали в 1,5-2 раза меньшую плотность – от 200 до 250 Втч/кг.

Материалы катодов, которые разработали исследователи, созданы на основе полимерных ароматических аминов. К их особенностям относится, помимо прочего, еще и возможность синтезировать их из различных органических соединений. Что касается двухионных АКБ, то в электрохимических процессах внутри них, в отличие от обычных литий-ионных батарей, задействованы как анионы, так и катионы электролита. Это напрямую влияет на многократный прирост скорости подзарядки.

«У нашей группы уже были работы по полимерным катодам для сверхбыстрых аккумуляторов с хорошей емкостью, которые можно заряжать и разряжать за несколько секунд. Среди прочих, раньше мы использовали линейные полимеры, у которых каждое мономерное звено образует связи только с двумя соседями, а в этой работе мы продолжили изучение новых разветвленных полимеров, у которых каждое звено может образовывать связи как минимум с тремя другими звеньями. Они формируют объемные сетчатые структуры, которые обеспечивают более быструю кинетику электродных процессов», – отметил первый автор работы, аспирант «Сколтеха», Филипп Обрезков. «С электродами из таких материалов аккумуляторы могут еще быстрее заряжаться и разряжаться», – добавил он.

Конкурирующие разработки

Авторы изобретения не уточнили, когда, по их прогнозам, может начаться массовое производство аккумуляторов, в которых используются созданные ими полимерные катоды. Между тем, в России существует целый ряд перспективных технологий, позволяющих улучшить современные элементы питания и способных составить конкуренцию детищу сотрудников РХТУ, ИПХФ и «Сколтеха».

Например, если эти ученые предлагают заменить литий на калий, то группа специалистов из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН и немецкого Центра им. Гельмгольца в Дрезден-Россендорфе считают, вместо лития следует использовать другой щелочной металл – натрий. CNews писал, что натрий в данном случае позволит снизить нагрузку на окружающую среду, поскольку добывать его проще, чем литий – он есть даже в обычной поваренной соли. Отсюда вытекает и снижение затрат на его добычу, а его применение в АКБ позволит сделать элементы питания более стабильными – литиевые аккумуляторы известны своей взрывоопасностью.

У специалистов «МИСиС» есть и еще одна альтернатива литиевым батареям, в которой нет ни натрия, ни калия – только сорняковое растение, в изобилии растущее во многих регионах России. Они предлагают делать не аккумуляторы, а суперконденсаторы с электродом из стеблей борщевика – для их превращения в углеродный материал, а затем и в электроды ученые разработали особую технологию их обработки, включающую воздействие на них соляной кислоты и насыщение углекислым газом.

Созданная технология преобразования борщевика в электроды суперконденсаторов была протестирована в лабораторных условиях, и эксперимент завершился успехом. Но, как и в случае с полимерными катодами и калиевыми АКБ за авторством ученых из РХТУ, ИПХФ и «Сколтеха», сроки коммерциализации этой идеи авторы не уточняют.

Эльяс Касми

Источник: www.cnews.ru