Skoltech-onderzoekers hebben in samenwerking met wetenschappers van het Institute for Problems of Chemical Physics van RAS en de Ural Federal University aangetoond dat hoge capaciteit, high-power batterijen kunnen worden gemaakt van organische materialen zonder lithium of andere zeldzame elementen. In aanvulling, ze demonstreerden de indrukwekkende stabiliteit van kathodematerialen en registreerden een hoge energiedichtheid in snel opladen/ontladen op kalium gebaseerde batterijen. De resultaten van hun studies werden gepubliceerd in de Journal of Materials Chemistry A , de Journal of Physical Chemistry Letters en Chemische communicatie .

Lithium-ionbatterijen worden veel gebruikt voor energieopslag, vooral in draagbare elektronica. De vraag naar batterijen stijgt als gevolg van de snelle opmars van elektrische voertuigen met hoge eisen aan lithium. Bijvoorbeeld, Volvo is van plan het aandeel elektrische voertuigen tegen 2025 te verhogen tot 50 procent van de totale verkoop. en Daimler kondigde zijn plannen aan om de verbrandingsmotoren helemaal op te geven, het accent verschuiven naar elektrische voertuigen.

Echter, massaal gebruik van lithium-ionbatterijen verergert het acute tekort aan middelen die nodig zijn voor de productie ervan. Overgangsmetalen die vaak worden gebruikt in kathoden, zoals kobalt, nikkel en mangaan, zijn vrij zeldzaam, duur en giftig. Hoewel het meeste van het minder voorkomende lithium wordt geproduceerd door een handvol landen, het wereldwijde aanbod van lithium is te mager om alle conventionele auto's te vervangen door elektrische voertuigen op lithiumbatterijen. Zoals geschat door het Duitse onderzoekscentrum voor energie-economie (FFE), de schaarste aan lithiumreserves kan de komende decennia een groot probleem worden. Onlangs, wetenschappers hebben voorgesteld te kijken naar alternatieven zoals natrium en kalium, die qua chemische eigenschappen vergelijkbaar zijn met lithium.

Skoltech-onderzoekers onder leiding van professor Pavel Troshin hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt bij de ontwikkeling van natrium- en kaliumbatterijen op basis van organische kathodematerialen. Hun onderzoeksresultaten werden gerapporteerd in drie publicaties in internationale toptijdschriften.

Hun eerste paper presenteert een polymeer dat hexaazatrifenyleenfragmenten bevat. Het nieuwe materiaal bleek even geschikt voor lithium, natrium- en kaliumbatterijen die in 30 tot 60 seconden worden opgeladen met behoud van hun energieopslagcapaciteit na duizenden laad-ontlaadcycli. "Veelzijdigheid is een van de belangrijkste voordelen van organische materialen, " legt de eerste auteur van het artikel en Skoltech doctoraatsstudent Roman Kapaev uit. "Hun redoxmechanismen zijn veel minder specifiek voor de aard van het tegenion, waardoor het gemakkelijker wordt om een ​​alternatief voor lithium-ionbatterijen te vinden. Nu de lithiumprijzen stijgen, het is logisch om het te vervangen door het goedkopere natrium of kalium dat nooit opraakt. Wat anorganische materialen betreft, dingen zijn veel ingewikkelder."

Het nadeel is dat de op hexaazatrifenyleen gebaseerde polymeerkathoden een laag bedrijfspotentiaal hebben (ongeveer 1,6 V volt met betrekking tot K+/K-potentiaal), wat resulteert in een verminderde energieopslagcapaciteit. In hun tweede artikel de wetenschappers stelden een ander materiaal voor, een op dihydrofenazine gebaseerd polymeer dat dit nadeel niet heeft en zorgt voor een verhoging van de gemiddelde bedrijfsspanning van de batterij tot 3,6 volt.

"Aromatische polymeeramines kunnen uitstekende organische hoogspanningskathoden maken voor metaal-ionbatterijen. we gebruikten poly-N-fenyl-5, 10-dihydrofenazine in de kaliumbatterijkathode voor de eerste keer. Door de elektrolyt grondig te optimaliseren, we verkregen een specifieke energie van 593 Wh/kg, een recordwaarde voor alle momenteel bekende K-ion batterijkathoden, " legt de eerste auteur van de studie en Skoltech PhD-student Philipp Obrezkov uit.

Een groot probleem bij metaal-ionbatterijen, vooral die met een metalen anode, is de groei van metaaldendrieten in de cel, die kortsluiting veroorzaken, vaak gepaard met brand en zelfs explosie. Het vervangen van zuivere alkalimetalen door hun legeringen in vloeibare vorm bij de bedrijfstemperatuur van de batterij kan dergelijke incidenten voorkomen. Dit werd onlangs voorgesteld door professor John B. Goodenough, een Nobelprijswinnaar in 2019.

Van de laagsmeltende kalium- en natriumlegering (NaK) is bekend dat deze ongeveer 22 gewichtsprocent natrium bevat en een smeltpunt heeft van -12,7 graden Celsius.

In hun derde onderzoek de wetenschappers gebruikten een soortgelijke kalium-natriumlegering aangebracht op carbonpapier als anode en de redox-actieve polymeren die eerder als kathodes werden verkregen. Dergelijke batterijen kunnen in minder dan 10 seconden worden opgeladen. interessant, een van de polymeerkathoden vertoonde de hoogste energiecapaciteit voor kaliumbatterijen, terwijl de andere uitstekende stabiliteit vertoonde, met slechts 11 procent van de capaciteit verloren na 10, 000 laad-/ontlaadcycli. Ook, de batterijen op basis van deze twee materialen vertoonden ongeëvenaarde vermogenskenmerken van bijna 100, 000 W/kg, een niveau dat typisch is voor supercondensatoren.

"Momenteel, metaal-ionbatterijen en supercondensatoren zijn de meest voorkomende oplossingen voor energieopslag, ", zegt teamleider Pavel Troshin. "De voormalige slaan veel energie op per massa-eenheid, maar laad langzaam op en verliest vrij snel capaciteit na een aantal cycli, overwegende dat deze snel opladen en tienduizenden cycli doorstaan, maar hebben een slechte opslagcapaciteit. We hebben aangetoond dat elektroactieve organische materialen de weg kunnen banen voor een nieuwe generatie elektrochemische energieopslagapparaten die de voordelen van metaalionbatterijen en supercondensatoren combineren, waardoor de noodzaak voor dure overgangsmetaalverbindingen en lithium overbodig is."