Ученые находят способ создать долговечные, быстро заряжающиеся аккумуляторы

Группа исследователей во главе с профессором Сколковского института науки и технологий Павлом Трошиным изучала координационные полимеры, класс соединений с малой изученностью применений в ионно-металлических батареях, и продемонстрировала их возможное будущее использование в устройствах накопления энергии с высокой скоростью зарядки / разрядки и стабильностью.

Скорость зарядки / разрядки является одной из ключевых характеристик литий-ионных аккумуляторов. Большинству современных коммерческих аккумуляторов для полной зарядки требуется не менее часа, что, безусловно, ограничивает область их применения, в частности, для электромобилей. Проблема с активными материалами, такими как самый популярный анодный материал, графит, заключается в том, что их емкость значительно уменьшается по мере увеличения скорости зарядки. Чтобы сохранить емкость аккумулятора при высоких скоростях зарядки, материалы активных электродов должны иметь высокую электронную и ионную проводимость, что имеет место в случае недавно открытых координационных полимеров, которые получены из ароматических аминов и солей переходных металлов, таких как никель или медь. Хотя эти соединения имеют большие перспективы, их применение в литий-ионных батареях практически не изучено.

Недавнее исследование, проведенное группой ученых из Сколтеха и Института проблем химической физики РАН под руководством профессора П. Трошина в сотрудничестве с Кельнским университетом (Германия) и Уральским федеральным университетом, было сосредоточено на линейных полимерах на основе тетрааминбензола из никеля и меди. Хотя линейные полимеры продемонстрировали намного более низкую начальную электронную проводимость по сравнению с их двумерными аналогами, оказалось, что они могут использоваться в качестве анодных материалов, которые заряжаются / разряжаются менее чем за минуту, поскольку их проводимость резко возрастает после первого разряда вследствие легирования лития.

При этом было обнаружено, что эти анодные материалы обладают превосходной стабильностью при высоких скоростях зарядки / разрядки: было продемонстрировано, что они сохраняют до 79% своей максимальной емкости после целых 20000 циклов зарядки-разрядки.

Кроме того, было обнаружено, что полимеры на основе меди могут использоваться как в качестве анодных, так и катодных материалов с высокой емкостью. Авторы отмечают, что существует много возможностей для оптимизации структуры, хотя катод еще не может работать стабильно.

«Существует множество методов для тонкой настройки характеристик координационных полимеров», - объясняет первый автор исследования и аспирант Сколтех Роман Капаев. «На самом деле мы имеем дело с неким подобием конструкторского комплекта, в котором детали можно легко заменить. Мы можем модифицировать как структуру амина, так и катион переходного металла, и, таким образом, повысить емкость, увеличить или уменьшить окислительно-восстановительный потенциал, улучшить стабильность и различные другие характеристики. Это потрясающее исследование затрагивает обширную область исследований, которую, я уверен, еще многое предстоит раскрыть».