Ученые Санкт-Петербургского государственного университета в составе международной группы исследователей разработали электродную установку, которая поможет лучше изучить свойства различных материалов и в перспективе позволит создать органические батареи — безопасные аналоги литий-ионных аккумуляторов.
Сегодня традиционные литиевые аккумуляторы используются повсеместно: в компьютерах, сотовых телефонах, фотоаппаратах и другой технике. Однако при производстве таких аккумуляторов используются тяжелые металлы, например никель и кобальт, которые при утилизации техники попадают в почву и грунтовые воды, загрязняя окружающую среду. Кроме того, металлы могут накапливаться в организме и приводить к интоксикации. Вместе с тем ресурсы для изготовления литиевых аккумуляторов ограничены, и с каждым годом рудные месторождения по всему миру истощаются.
Международная команда ученых, в состав которой вошли химики научной группы «Органические электродные материалы для химических источников тока» СПбГУ, разработала электродную установку, на которой с помощью электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) исследовали различные полимеры. Метод ЭПР позволяет определить наличие радикалов и протекающих окислительно-восстановительных реакций в структуре активного электрода, проанализировать его свойства и разработать стратегии для увеличения эффективности его работы. Это позволяет подобрать вещества, наиболее подходящие для создания органических батарей, превосходящих литий-ионные технологии по эффективности. Кроме того, метод дает возможность выявлять изменения в пленке и обнаруживать неактивные центры, наличие которых снижает эффективность работы аккумулятора.
На базе научной лаборатории Berlin Joint EPR lab химики провели эксперименты на пленке p-DiTS — она достаточно стабильна из-за фрагментов гетероциклического радикала TEMPO (2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-ил)оксил), но теряет свою активность после 36 циклов окислительно-восстановительных реакций. Это связано с тем, что на пленке формируются области из электрохимически неактивных частиц, что приводит к ухудшению проводимости.
«Разработанная электродная установка позволяет нам провести исследование и понять, как на пленке образуются такие «пустые» области. Это даст возможность химически изменять структуру полимера, чтобы в итоге получить материал с высокой емкостью и стабильностью», — пояснил руководитель проекта, профессор кафедры электрохимии СПбГУ Олег Левин.
В качестве возможных материалов могут выступать проводящие полимеры, содержащие нитроксильные радикалы. Они работают на окислительно-восстановительных реакциях: при разрядке радикал окисляется до положительного катиона, а при зарядке восстанавливается обратно, что позволяет увеличить энергоэффективность аккумулятора. Сейчас уже разработаны прототипы аккумуляторов на основе нитроксильных радикалов, которые могут заряжаться за считаные секунды, однако их энергия пока в два раза меньше, чем у литий-ионных систем.
«В настоящее время разработка способов эффективного и безопасного хранения электроэнергии очень актуальна. Результаты нашей работы помогут приблизить широкое производство органических аккумуляторов, которые не содержат тяжелых металлов. Они будут достаточно эффективными в работе, безопасными в использовании и простыми в утилизации вместе с бытовыми отходами», — рассказал Олег Левин.