14.01.2021

Полимерные катоды для аккумуляторов

Российские исследователи из Сколтеха, РХТУ и ИПХФ синтезировали новые катодные материалы на основе полимеров и испытали их в литиевых двухионных батареях. Они показали, что такие катоды могут выдерживать до 25000 циклов работы, а также заряжаться за несколько секунд.

Спрос на литий-ионные аккумуляторы постоянно растёт, но сырье для их изготовления ограничено, и ученые ищут другие варианты этой технологии. Российские исследователи из Сколтеха, РХТУ и ИПХФ синтезировали новые катодные материалы на основе полимеров и испытали их в литиевых двухионных батареях. Они показали, что такие катоды могут выдерживать до 25000 циклов работы, а также заряжаться за несколько секунд, что превосходит возможности современных литий-ионных аккумуляторов. Также с применением новых катодов могут быть созданы калиевые двухионные аккумуляторы, не использующие дорогостоящий литий. Результаты работы опубликованы в журнале Energy Technology.

Человечество производит и потребляет всё больше электричества, и вместе с этим растёт спрос на энергонакопители, потому что многие устройства часто работают в автономном режиме. Литий-ионные аккумуляторы могут давать большую мощность, обеспечивая при этом сравнительно высокие скорости разряда и заряда, а также хранят достаточно много энергии в расчете на единицу своей массы. Поэтому их применяют в качестве накопителей энергии не только в электронике и электротранспорте, но уже и в масштабах глобальных энергосетей. Например, в Австралии построят сеть огромных энергонакопителей на основе литий-ионных аккумуляторов, чтобы запасать излишки энергии, произведенной солнечными и ветровыми электростанциями.

Но если литий-ионных аккумуляторов будет становиться больше, то рано или поздно закончится сырье для их производства. Например, катоды этих батарей часто содержат кобальт, 60% добычи которого приходится только на одну страну - ДР Конго, и поэтому если производители захотят делать еще больше аккумуляторов цена на кобальт может вырасти во много раз. Похожая ситуация и с литием - на его добычу уходит так много воды, что это может стать серьезной экологической проблемой. Поэтому исследователи ищут новые энергонакопители, которые с одной стороны работают по принципу литий-ионных аккумуляторов и сохраняют их преимущества, а с другой используют более доступное сырье. В работе ученых из Сколковского института науки и технологий, РХТУ им. Д.И. Менделеева и ИПХФ РАН была использована перспективная постлитиевая технология двухионных аккумуляторов,в электрохимических процессах которых задействованы как анионы, так и катионы электролита, что в разы повышает скорости заряда батарей по сравнению с литий-ионными. При этом в качестве катодов тестировались материалы на основе полимерных ароматических аминов, которые можно синтезировать из различных органических соединений.

У нашей группы уже были работы по полимерным катодам для сверхбыстрых аккумуляторов с хорошей ёмкостью, которые можно заряжать и разряжать за несколько секунд, но хотелось большего”, - рассказывает первый автор работы, аспирант Сколтеха, Филипп Обрезков. “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. С электродами из таких материалов аккумуляторы могут еще быстрее заряжаться и разряжаться”.

 Стабильные, быстрые, ёмкие

Стандартный литий-ионный аккумулятор - это ячейка объем которой заполнен литий-содержащим электролитом и разделен сепаратором на две части - в одной находится анод, а в другой катод.  В заряженном состоянии большинство атомов лития встроены в кристаллическую структуру анода, а при разряде они выходят из анода и через сепаратор проникают в катодный материал. В двухионных аккумуляторах, с которыми работали российские ученые, в электрохимических процессах участвуют не только катионы электролита (то есть катионы лития), но и анионы, которые то встраиваются, то выходят из структуры катодного материала. За счёт этого двухионные аккумуляторы часто могут заряжаться быстрее, чем обычные литий-ионные.

Кроме того, в работе была еще одна новация. В некоторых экспериментах ученые использовали не литий-содержащие электролиты, а калий-содержащие и так получали калиевые двухионные аккумуляторы, для работы которых не нужно дорогого лития.

Исследователи синтезировали два новых разветвленных полимера - один был сополимером дигидрофеназина и дифениламина (PDPAPZ), а другой - дигидрофеназина и фенотиазина (PPTZPZ). На их основе сделали катоды, а в качестве анодов использовали металлический литий и калий - все основные характеристики таких прототипов батарей, которые называются полуячейками, определяются катодной частью и ученые собирают их, чтобы быстро оценить возможности новых катодных материалов.

Полуячейки с PPTZPZ показали скромные рабочие характеристики. PDPAPZ напротив оказался достаточно удачным материалом: литиевые полуячейки с этим полимером могли сравнительно быстро заряжаться и разряжаться, а также показали хорошую стабильность. Они сохраняли до трети своей ёмкости даже после 25 тысяч рабочих циклов - если бы обычный аккумулятор в телефоне обладал такой же стабильностью, то его можно было бы ежедневно заряжать и разряжать на протяжении 70 лет. Калиевые же полуячейки на основе PDPAPZ показали хорошую плотность энергии -  398 Вт-ч/кг. Для сравнения в общераспространённых литиевых ячейках эта величина составляет 200 – 250 Вт-ч/кг, но в этой цифре также учитывается масса анода и электролита. Таким образом, российские ученые показали, что разработанные полимерные катодные материалы можно использовать для создания эффективных литиевых и калиевых двухионных аккумуляторов.


Статьи по теме
Картинка


Зарядные устройства Bosch – нет предела совершенству

Получившие награду Red Dot за простой и эргономичный дизайн в 2011-м году зарядные устройства Bosch C3 и C7 стали еще проще и удобнее. Bosch добавил функцию сохранения последних настроек и положил в комплект зарядный кабель с предохранителем.

Картинка


Panasonic укомплектует гибридные автомобили Subaru аккумуляторами

Корпорация Panasonic будет поставлять системы никель-металлогидридных (Ni-Mh) аккмуляторов для первого гибридного электромобиля компании Fuji Heavy Industries Ltd. Электрокар Subaru XV Crosstrek.

Картинка


Автомобильные зарядные устройства BERKUT Smart Power, тест

В нашем тесте мы решили посмотреть, как автомобильные зарядные устройства BERKUT Smart Power справляются с севшим в ноль аккумулятором, смогут ли они оживить потухший автомобиль и можно ли им доверить хранение батареи зимой.

Картинка


Bosch облегчил поиск АКБ для владельцев iPhone и iPad

Приложение от Bosch упростит поиск подходящей АКБ при помощи смартфона или планшета.

Картинка


Тестируем пуско-зарядное устройство D-LEX Power P1

Тест стартового бустера (пуско-зарядного устройства) D-LEX Power P1

Картинка


Тестируем пуско-зарядное устройство BERKUT Smart Power SP-4500

Автомобильные пуско-зарядные устройства на Li-Po аккумуляторах новый класс техники. Они нужны, чтобы запустить автомобиль при севшей батарее и заряжать мобильные устройства. Тестируем новинку BERKUT Smart Power SP-4500.

Audi A3 Sedan и Audi A3 Sportback специальной серии Joy, Cosmo и Fun

Новые Audi A3 Sedan и Audi A3 Sportback специальной серии Joy, Cosmo и Fun воплотили в себе эффектный дизайн, расширенный список оснащения и новейшие цифровые технологии.

SUZUKI JIMNY II исполняется 40 лет

Внедорожнику Suzuki Jimny второго поколения исполняется 40 лет с начала производства.

Orlen Platinum Max Expert V 5W-30 – синтетическое моторное масло

Внимательно рассматриваем синтетическое моторное масло Orlen Platinum Max Expert V 5W-30. Разбираем сферу применимости и допуски производителей автомобилей.

Сабвуфер «Урал» ТТ 12 красный – автомобильный сабвуфер 12 дюймов, тест

Тестируем автомобильный сабвуфер «Урал» ТТ 12 красный.

TrendVision K2S – двухканальный видеорегистратор скрытой установки, тест

Наш обзор посвящен уникальной модели видеорегистратора для скрытой установки TrendVision K2S. Разбираемся с особенностями его работы и качеством видеозаписей. Видеообзор.

Сабвуфер «Урал» ТТ 15 – автомобильный сабвуфер 15 дюймов, тест

В подробностях рассматриваем автомобильный сабвуфер «Урал» ТТ 15. Это обновленная модель 2021 года. В нее разработчики внесли около 30 изменений.

Как самому отполировать фары?

В материале рассказывается и показывается на практике, как произвести полировку автомобильных фар, сделанных из поликарбоната. Для полировки используется состав Liqui Moly «Ликвидатор царапин» Kratzer Stop.

Огненные тормоза. Эмаль для суппортов

Доступный стайлинг. Улучшаем внешний вид колес за счет покраски суппорта. Пошаговая инструкция. Видеообзор

Автотуризм и антидождь

Рассказываем, как повысить безопасность в автопутешествии за счет доступного всем средства «Антидождь» AC-890. Обсуждаем способы нанесения и результат.