Ученые Санкт-Петербургского государственного университета разработали новый тип аккумулятора, который может заряжаться в десять раз быстрее литий-ионного, а также является более безопасным — как с точки зрения вероятности возгорания, так и последствий его утилизации для окружающей среды.
Современный мир немыслим без литий-ионных аккумуляторов. Они используются в широком спектре устройств — от смартфонов до электромобилей. При этом у аккумуляторов литий-ионного типа имеется и ряд серьезных недостатков. Среди них возможное возгорание, потеря емкости на холоде, а также существенная угроза экологии при утилизации исчерпавших свой ресурс батарей.
По словам руководителя группы ученых, профессора кафедры электрохимии СПбГУ Олега Левина, в качестве материалов, которые могли бы стать основой для новых аккумуляторов, химики рассматривают редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры. Им свойственны высокая плотность энергии (количество энергии на единицу объема) и скорость зарядки и разрядки в результате окислительно-восстановительных реакций. Использование таких полимеров затрудняет их недостаточная электрическая проводимость — она препятствует накоплению заряда даже при использовании добавок с высокой проводимостью, например угля.
Чтобы решить эту проблему, ученые СПбГУ синтезировали полимер на основе комплекса никель-сален (NiSalen). Молекулы этого полимера выступают в качестве молекулярной проволоки, на которую прикреплены энергоемкие нитроксильные фрагменты. Такая молекулярная архитектура материала позволяет добиться одновременно высоких мощностных, емкостных и низкотемпературных характеристик.
«Концепция этого материала возникла у нас в 2016 году. В это время мы начали заниматься фундаментальным проектом «Электродные материалы для литий-ионных аккумуляторов на базе металлорганических полимеров», поддержанным грантом Российского научного фонда. Когда мы исследовали механизм переноса заряда в этом классе соединений, оказалось, что у них есть два направления развития. Первое — они могут использоваться в качестве защитных слоев в связке с традиционными материалами литий-ионных батарей. И второе — они сами могут стать активным компонентом электрозапасающих материалов», — рассказывает Олег Левин.
Разработка полимера заняла более трех лет. В первый год работы ученые проверяли концепцию нового материала: смешивали отдельные компоненты, моделирующие проводящую цепь, и редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры. Им важно было убедиться, что все части структуры работают вместе и усиливают друг друга. После этого начался этап синтеза вещества, который стал самым сложным в создании нового материала. Дело в том, что в нем задействованы чувствительные компоненты, которые легко могут разрушиться при малейшей ошибке ученого.
Из нескольких полученных полимеров только один оказался стабильным и работоспособным. Основную цепь нового материала образуют комплексы никеля с лигандами, которые называются «сален». К ней через ковалентные связи присоединили стабильный свободный радикал, который обладает способностью к быстрому окислению и восстановлению (заряду и разряду).
«Аккумулятор, созданный с использованием нашего материала, будет заряжаться за считаные секунды — примерно в десять раз быстрее, чем литий-ионный. Мы уже выяснили это в результате экспериментов. Однако на данном этапе он отстает от них на 30–40 % по емкости. Сейчас мы работаем над увеличением этого показателя при сохранении скорости заряда-разряда», — отмечает Олег Левин.
Сегодня создан катод для нового аккумулятора — положительный электрод химического источника тока. Ему в пару необходим отрицательный электрод — анод, который не обязательно создавать с нуля — его можно подобрать из уже существующих. Вместе они образуют систему, которая в некоторых областях уже скоро может потеснить литий-ионные аккумуляторы.
«Новая батарея способна прекрасно проявить себя в ситуациях, когда необходим очень быстрый заряд, или же во время работы при низких температурах. Ее использование абсолютно безопасно — в ней нет ничего, что могло бы загореться или взорваться, в отличие от батарей на основе кобальта, которые сегодня широко распространены. Также в ней содержится в десятки раз меньше металлов, которые могут нанести экологический вред. В небольшом количестве в нашем полимере присутствует никель, но его там во много раз меньше, чем в литий-ионных аккумуляторах», — рассказывает Олег Левин.
Сейчас ученые оформляют патент на свое изобретение. Его правообладателем станет Санкт-Петербургский государственный университет. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 16-13-00038.
Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Batteries & Supercaps