Ученые разработали сополимерный материал, который можно использовать в основе экологичных и эффективных органических аккумуляторов. Материал «собран» на основе циклических соединений хинонов и полимера полиэтилендиокситиофена, хорошо проводящего электрический ток. Благодаря такому составу разработка запасает большое количество энергии за счет окислительно-восстановительных реакций, что позволяет создать долговечные экологичные батареи. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Materials Chemistry A.
Существующие устройства для хранения энергии, в частности литий-ионные аккумуляторы, ограничены по емкости, недолговечны и относительно медленно заряжаются. Альтернативой им могут служить накопители энергии на основе органических соединений, например хинонов — молекул, способных обратимо запасать энергию за счет окислительно-восстановительных реакций (получения или отдачи электронов). Однако хиноны плохо проводят ток, и это не позволяет получить аккумуляторы с большой емкостью. Компенсировать этот недостаток можно, если соединить хиноны с проводящими полимерами в единый материал.
Однако существующие методы синтеза таких сополимеров либо сложны и дороги, либо не позволяют получить продукт с оптимальными свойствами.
Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) предложили простой и эффективный метод синтеза материала на основе гидрохинона и проводящего полимера полиэтилендиокситиофена. Подход называется прямой электрохимической сополимеризацией. Авторы сначала смешали мономеры (структурные единицы, из которых собирается полимер) — 3,4-этилендиокситиофен и гидрохинон — в органическом растворителе. Затем под действием импульсного (непостоянного) наложения электрического потенциала на электроде происходила полимеризация, в ходе которой сформировался сополимер.
В полученном материале фрагменты гидрохинона оказались встроены в цепь полиэтилендиокситиофена. Такая технология обеспечила равномерное распределение хиноновых фрагментов в полимерной матрице и позволила достичь рекордного содержания гидрохинона в сополимере — до 66%.
Чтобы проверить способность материала накапливать заряд, авторы провели электрохимические испытания в кислотном растворе. Эксперимент показал, что сополимер имеет удельную емкость 85–112 миллиампер-час на каждый грамм материала. При этом материал сохранял 72% исходной емкости после 100 циклов зарядки-разрядки и 65% после 200 циклов. Эти показатели соответствуют типичным значениям для новых органических материалов на ранних этапах разработки и свидетельствуют о принципиальной возможности создания эффективных электродов на основе такого сополимера. Аккумуляторы телефонов обычно сохраняют 80% емкости спустя 300–500 циклов. Но авторы подчеркивают, что испытания сополимера проводились в лабораторных условиях без оптимизации конструкции полной батареи, поэтому потенциально характеристики материала удастся улучшить. Авторы также определили, что в полученном сополимере процессы накопления и отдачи заряда, связанные с фрагментами гидрохинона, происходят с 99% эффективностью. Это значит, что практически весь заряд, потраченный на зарядку (окисление) материала, возвращается при его разрядке (восстановлении).Таким образом, предложенный метод позволяет получить перспективный для энергетики материал без необходимости сложного предварительного синтеза, что делает способ экономически привлекательным.
«Созданный материал может использоваться в водных органических батареях и тем самым снизить зависимость от дорогих и экологически вредных неорганических материалов, таких как свинец и кобальт. Это открывает перспективы для создания доступных и устойчивых решений для хранения энергии, что важно для перехода к зеленой энергетике и снижения углеродного следа. В дальнейшем мы планируем исследовать возможности применения полученного сополимера не только в новых типах водных органических аккумуляторов, но и в качестве катодного материала для усовершенствования классических свинцово-кислотных батарей. Такой подход может повысить их энергоемкость и долговечность за счет сочетания высокой проводимости полимерной матрицы и эффективного накопления заряда на фрагментах гидрохинона. Это позволит сделать традиционные аккумуляторы более экологичными и эффективными, а также расширить их применение в современных системах хранения энергии», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Олег Левин, доктор химических наук, профессор кафедры электрохимии Санкт-Петербургского государственного университета.