Аккумулятор нового типа, который заряжается в десять раз быстрее, чем литий-ионный

 

В то же время, литий-ионные батареи имеют ряд серьезных проблем, в том числе: потенциальную пожарную опасность и потерю производительности при низких температурах, а также значительное воздействие на окружающую среду при утилизации отработанных батарей.
Материал для перспективных батарей
По словам руководителя группы исследователей, профессора кафедры электрохимии Санкт-Петербургского университета Олега Левина, химики изучают окислительно-восстановительные нитроксилсодержащие полимеры в качестве материалов для хранения электрохимической энергии. Эти полимеры характеризуются высокой плотностью энергии и быстрой скоростью зарядки и разрядки благодаря быстрой окислительно-восстановительной кинетике. Одной из проблем, связанных с внедрением такой технологии, является недостаточная электропроводность. Это затрудняет сбор заряда даже при использовании высокопроводящих добавок, таких как углерод.
Подписывайтесь на наш youtube канал!
 
ЭФИРНЫЕ СЕТЫ
Подборка  эфиров c ЛУЧШИМИ психологами, врачами, остеопатами
на платформе COURSE.ECONET.RU
 
ПОЛУЧИТЬ ДОСТУП
В поисках решения этой проблемы ученые Санкт-Петербургского университета синтезировали полимер на основе комплекса никель-сален (NiSalen). Молекулы этого металлополимера действуют как молекулярная проволока, к которой прикреплены энергоемкие нитроксильные подвески. Молекулярная архитектура материала позволяет достичь высокой емкостной характеристики в широком диапазоне температур.
Аккумулятор нового типа, который заряжается в десять раз быстрее, чем литий-ионный
«Мы разработали концепцию этого материала в 2016 году. Тогда же мы приступили к разработке фундаментального проекта «Электродные материалы для литий-ионных батарей на основе металлоорганических полимеров». Он был поддержан грантом Российского научного фонда. Изучая механизм переноса заряда в этом классе соединений, мы обнаружили, что есть два ключевых направления развития. Во-первых, эти соединения могут использоваться в качестве защитного слоя для покрытия основного проводника батареи, который в противном случае был бы изготовлен из традиционных материалов литий-ионных батарей. А во-вторых, их можно использовать как активный компонент материалов для хранения электрохимической энергии», – объясняет Олег Левин.
На разработку полимера ушло более трех лет. В первый год ученые опробовали концепцию нового материала: они объединили отдельные компоненты для имитации электропроводящей основы и окислительно-активных нитроксилсодержащих подвесок. Необходимо было убедиться, что все части структуры работают вместе и усиливают друг друга. Следующим этапом был химический синтез соединения. Это была самая сложная часть проекта. Это связано с тем, что некоторые компоненты чрезвычайно чувствительны и даже малейшая ошибка ученого может привести к деградации образцов.
Из нескольких полученных полимерных образцов только один был признан достаточно стабильным и эффективным. Основную цепь нового соединения образуют комплексы никеля с лигандами салена. Стабильный свободный радикал, способный к быстрому окислению и восстановлению (заряд и разряд), был связан с основной цепью ковалентными связями.
«Батарея, изготовленная с использованием нашего полимера, заряжается за секунды – примерно в десять раз быстрее, чем традиционная литий-ионная батарея. Это уже было продемонстрировано в ходе серии экспериментов. Однако на данном этапе она все еще отстает по емкости на 30-40% по сравнению с литий-ионными батареями. В настоящее время мы работаем над улучшением этого показателя при сохранении скорости заряда-разряда», – говорит Олег Левин.
Катод для новой батареи был изготовлен как положительный электрод для использования в химических источниках тока. Теперь нам нужен отрицательный электрод – анод». Фактически, его не нужно создавать с нуля – его можно выбрать из существующих. Вместе они образуют систему, которая в некоторых местах вскоре может заменить литий-ионные батареи.
«Новая батарея способна работать при низких температурах и станет отличным вариантом там, где быстрая зарядка имеет решающее значение. Она безопасна в использовании – в отличие от широко распространенных сегодня кобальтовых батарей, ничто не представляет опасности сгорания. Она также содержит значительно меньше металлов, которые могут нанести вред окружающей среде. Никель присутствует в нашем полимере в небольшом количестве, но его гораздо меньше, чем в литий-ионных батареях», – говорит Олег Левин.

аккумуляторновоготипа

 

В то же время, литий-ионные батареи имеют ряд серьезных проблем, в том числе: потенциальную пожарную опасность и потерю производительности при низких температурах, а также значительное воздействие на окружающую среду при утилизации отработанных батарей.

 

По словам руководителя группы исследователей, профессора кафедры электрохимии Санкт-Петербургского университета Олега Левина, химики изучают окислительно-восстановительные нитроксилсодержащие полимеры в качестве материалов для хранения электрохимической энергии. Эти полимеры характеризуются высокой плотностью энергии и быстрой скоростью зарядки и разрядки благодаря быстрой окислительно-восстановительной кинетике. Одной из проблем, связанных с внедрением такой технологии, является недостаточная электропроводность. Это затрудняет сбор заряда даже при использовании высокопроводящих добавок, таких как углерод.

 

В поисках решения этой проблемы ученые Санкт-Петербургского университета синтезировали полимер на основе комплекса никель-сален (NiSalen). Молекулы этого металлополимера действуют как молекулярная проволока, к которой прикреплены энергоемкие нитроксильные подвески. Молекулярная архитектура материала позволяет достичь высокой емкостной характеристики в широком диапазоне температур.

 

«Мы разработали концепцию этого материала в 2016 году. Тогда же мы приступили к разработке фундаментального проекта «Электродные материалы для литий-ионных батарей на основе металлоорганических полимеров». Он был поддержан грантом Российского научного фонда. Изучая механизм переноса заряда в этом классе соединений, мы обнаружили, что есть два ключевых направления развития. Во-первых, эти соединения могут использоваться в качестве защитного слоя для покрытия основного проводника батареи, который в противном случае был бы изготовлен из традиционных материалов литий-ионных батарей. А во-вторых, их можно использовать как активный компонент материалов для хранения электрохимической энергии», – объясняет Олег Левин.

 

На разработку полимера ушло более трех лет. В первый год ученые опробовали концепцию нового материала: они объединили отдельные компоненты для имитации электропроводящей основы и окислительно-активных нитроксилсодержащих подвесок. Необходимо было убедиться, что все части структуры работают вместе и усиливают друг друга. Следующим этапом был химический синтез соединения. Это была самая сложная часть проекта. Это связано с тем, что некоторые компоненты чрезвычайно чувствительны и даже малейшая ошибка ученого может привести к деградации образцов.

 

Из нескольких полученных полимерных образцов только один был признан достаточно стабильным и эффективным. Основную цепь нового соединения образуют комплексы никеля с лигандами салена. Стабильный свободный радикал, способный к быстрому окислению и восстановлению (заряд и разряд), был связан с основной цепью ковалентными связями.

 

«Батарея, изготовленная с использованием нашего полимера, заряжается за секунды – примерно в десять раз быстрее, чем традиционная литий-ионная батарея. Это уже было продемонстрировано в ходе серии экспериментов. Однако на данном этапе она все еще отстает по емкости на 30-40% по сравнению с литий-ионными батареями. В настоящее время мы работаем над улучшением этого показателя при сохранении скорости заряда-разряда», – говорит Олег Левин.

 

Катод для новой батареи был изготовлен как положительный электрод для использования в химических источниках тока. Теперь нам нужен отрицательный электрод – анод». Фактически, его не нужно создавать с нуля – его можно выбрать из существующих. Вместе они образуют систему, которая в некоторых местах вскоре может заменить литий-ионные батареи.

 

«Новая батарея способна работать при низких температурах и станет отличным вариантом там, где быстрая зарядка имеет решающее значение. Она безопасна в использовании – в отличие от широко распространенных сегодня кобальтовых батарей, ничто не представляет опасности сгорания. Она также содержит значительно меньше металлов, которые могут нанести вред окружающей среде. Никель присутствует в нашем полимере в небольшом количестве, но его гораздо меньше, чем в литий-ионных батареях», – говорит Олег Левин.

 

 

https://econet.ru/articles/akkumulyator-novogo-tipa-kotoryy-zaryazhaetsya-v-desyat-raz-bystree-chem-litiy-ionnyy

 


11.04.2021