Създаден е нов тип батерия, която може да се зарежда 10 пъти по-бързо от литиево-йонните батерии

ТЕМИ:
Технология на батериите, химическо инженерство, енергия, полимери, популярни, литиево-йонни батерии
От СТ. ПЕТЕРБУРГ ДЪРЖАВЕН УНИВЕРСИТЕТ 9 АПРИЛ 2021 ГОД

Символично представяне на химическата формула на новия полимер. Кредит: Анатолий А. Верещагин.

Освен това той е по -безопасен по отношение на потенциалните опасности от пожар и има по -ниско въздействие върху околната среда.

Трудно е да си представим ежедневието си без литиево-йонни батерии. Те доминират на пазара на батерии с малък формат за преносими електронни устройства и също се използват често в електрически превозни средства. В същото време литиево-йонните батерии имат редица сериозни проблеми, включително: потенциална опасност от пожар и загуба на производителност при ниски температури; както и значително въздействие върху околната среда на изхвърлянето на изхабени батерии.

Според ръководителя на екипа от изследователи, професор в катедрата по електрохимия в университета в Санкт Петербург Олег Левин, химиците са изследвали окислително-редукционно активните полимери, съдържащи нитроксил, като материали за съхранение на електрохимична енергия. Тези полимери се характеризират с висока енергийна плътност и бърза скорост на зареждане и разреждане поради бързата редокс кинетика. Едно предизвикателство към прилагането на такава технология е недостатъчната електрическа проводимост. Това възпрепятства събирането на заряд дори при силно проводими добавки, като въглерод.

Търсейки решения за преодоляване на този проблем, изследователите от Санкт Петербургския университет синтезират полимерна основа на никел-сален комплекс (NiSalen). Молекулите на този металополимер действат като молекулна жица, към която са прикрепени енергоемки нитроксилни висулки. Молекулярната архитектура на материала позволява постигане на високи капацитетни характеристики в широк температурен диапазон.

Професор в катедрата по електрохимия в Санкт Петербургския университет Олег Левин. Кредит: SPbU.

„Ние създадохме концепцията за този материал през 2016 г. По това време започнахме да разработваме фундаментален проект„ Електродни материали за литиево-йонни батерии на базата на металоорганични полимери “. Той беше подкрепен с безвъзмездна финансова помощ от Руската научна фондация. При изучаване на механизма за пренос на заряд в този клас съединения открихме, че има две ключови посоки на развитие. Първо, тези съединения могат да се използват като защитен слой за покриване на кабела на основния проводник на акумулатора, който иначе би бил направен от традиционни материали от литиево-йонна батерия. И второ, те могат да се използват като активен компонент на материалите за съхранение на електрохимична енергия “, обяснява Олег Левин.

Развитието на полимера отне повече от три години. През първата година учените тестваха концепцията за новия материал: те комбинираха отделни компоненти, за да симулират електрически проводящия гръбнак и редокс-активните нитроксилсъдържащи висулки. Важно беше да се гарантира, че всички части на конструкцията работят заедно и се подсилват. Следващият етап беше химическият синтез на съединението. Това беше най -предизвикателната част от проекта. Това е така, защото някои от компонентите са изключително чувствителни и дори най -малката грешка на учен може да причини разграждане на пробите.

От няколко получени полимерни проби е установено, че само един е достатъчно стабилен и ефективен. Основната верига на новото съединение се формира от комплекси от никел със сален лиганди. Стабилен свободен радикал, способен за бързо окисляване и редукция (заряд и разряд), е свързан с главната верига чрез ковалентни връзки.

„Батерията, произведена с помощта на нашия полимер, ще се зареди за секунди-около десет пъти по-бързо от традиционната литиево-йонна батерия. Това вече беше демонстрирано чрез поредица от експерименти. На този етап обаче той все още изостава по отношение на капацитета-с 30 до 40% по-нисък, отколкото при литиево-йонните батерии. В момента работим за подобряване на този показател, като същевременно поддържаме скоростта на зареждане-разреждане “, казва Олег Левин.

Катодът на новата батерия е произведен - положителен електрод за използване в източници на химически ток. Сега имаме нужда от отрицателния електрод - анода. Всъщност не е необходимо да се създава от нулата - може да се избира от съществуващите. Сдвоени заедно, те ще образуват система, която в някои области може скоро да замести литиево-йонните батерии.

„Новата батерия може да работи при ниски температури и ще бъде отлична опция, където бързото зареждане е от решаващо значение. Безопасно е да се използва-няма нищо, което може да представлява опасност от изгаряне, за разлика от широко разпространените батерии на базата на кобалт. Той също така съдържа значително по -малко метали, които могат да причинят вреда на околната среда. Никелът присъства в нашия полимер в малко количество, но има много по-малко от него в литиево-йонните батерии “, казва Олег Левин.

Справка: „Бързите и вместителните: A [Ni (Salen)]„ TEMPO Redox “Провеждащ полимер за органични батерии” от Анатолий А. Верещагин, д -р Даниил А. Лукянов, Илия Р. Куликов, Д -р Naitik A. Panjwani, д -р Elena A. Alekseeva, проф. Ян Behrends и проф. Oleg V. Levin, 17 ноември 2020 г., Батерии и суперкапси.
DOI: 10.1002/batt.202000220