Сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета создали новый тип полимерных аккумуляторных ячеек. Батареи на ее основе заряжаются на порядок быстрее современных литиевых, устойчивы к холоду и содержат минимальное количество опасных для окружающей среды веществ. В то же время в таком аккумуляторе нет ничего, что могло бы загореться или взорваться при нарушении условий эксплуатации.
Разработка нового полимера, из которого можно сделать катод батареи с такими заманчивыми свойствами, заняла три года. Описание этого соединения, его характеристики и результаты лабораторных испытаний представлены в рецензируемом журнале Chemistry Europe. Статья вышла несколько месяцев назад, но по каким-то причинам публика заметила любопытную отечественную разработку только сейчас.
Как объясняет руководитель исследовательской группы, создавшей этот материал, профессор кафедры электрохимии СПбГУ Олег Левин, идея зародилась еще в 2016 году. Он с коллегами занялся созданием перспективных полимерных электродов для литийионных аккумуляторов при поддержке Российского научного фонда. Результатом работы стало понимание, что у подобных материалов есть два направления развития: они могут как служить в защитных слоях обычных батарей, так и выполнять активную электрозапасающую роль в перспективных ячейках.
-
Демонстрация новых материалов и батарей на их основе на кафедре электрохимии СПбГУ / ©пресс-служба СПбГУ -
Демонстрация новых материалов и батарей на их основе на кафедре электрохимии СПбГУ / ©пресс-служба СПбГУ
После отсева нестабильных соединений во время ряда экспериментов у российских ученых получился работоспособный вариант. Это сложный полимер, основой которого служит длинная цепь комплексов никеля с лигандами («сален», NiSalen). На микроскопическую нить прикрепляются нитроксильные фрагменты — органические радикалы, содержащие азот и кислород. Они способны быстро участвовать в окислительно-восстановительных реакциях, то есть запасать или отдавать энергию.
Таким образом, в новых аккумуляторах не используют соединения лития, ответственные за высокий риск возгорания батареи при физическом повреждении, перегреве или коротком замыкании. В качестве анода ученые из СПбГУ применили распространенные решения на основе графита. Но в дальнейшем и этот элемент можно улучшить, создав более подходящий материал.
В лабораторных испытаниях созданный отечественными специалистами полимер показал себя впечатляюще. После двух тысяч циклов заряда-разряда он сохранил две третьих своей первоначальной емкости. Одно из ключевых достоинств новинки, помимо повышенной безопасности, — температурная устойчивость. Как утверждает Левин, такая батарея отлично работает без изменения своих свойств до минус 40 градусов.
Естественно, ничего не получается бесплатно. Поскольку используются соединения металлов тяжелее лития, удельная емкость этой ячейки на 30-40% ниже, чем у современных аккумуляторов. Увеличить показатель возможно, однако радикальных улучшений ждать не стоит — химию с физикой не обманешь. С другой стороны, этот недостаток с лихвой компенсируется быстрой скоростью зарядки — вдесятеро быстрее, чем у литийионных. Сейчас ученые работают над созданием методик промышленного производства нового полимера, первых результатов можно ждать в течение года-двух.