Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета разработали новый вид полимерных элементов питания. Аккумуляторы, созданные на их основе, заряжаются значительно быстрее, чем современные литиевые батареи, обладают устойчивостью к низким температурам и содержат небольшое количество веществ, представляющих угрозу для экологии. Кроме того, конструкция таких аккумуляторов исключает возможность возгорания или взрыва даже при несоблюдении условий эксплуатации.
Создание нового полимера, пригодного для производства катода аккумуляторной батареи с перспективными свойствами, потребовало трех лет. В данном описании представлены характеристики этого соединения и результаты лабораторных исследований представлены в рецензируемом журнале Chemistry Europe. Несмотря на то, что статья была опубликована несколько месяцев назад, широкая огласка отечественной разработки произошла лишь 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.
В ходе серии экспериментов, направленных на выявление стабильных соединений, российским ученым удалось разработать функциональный прототип. Он представляет собой сложный полимер, в основе которого лежит длинная цепь комплексов никеля, связанных лигандами («сален», NiSalen). К микроскопической нити присоединяются нитроксильные фрагменты — органические радикалы, содержащие азот и кислород. Эти фрагменты характеризуются способностью к быстрым окислительно-восстановительным реакциям, благодаря чему они могут запасать или высвобождать энергию.
В новых аккумуляторных элементах отказались от литиевых соединений, которые являются причиной повышенного риска возгорания при физических повреждениях, перегреве или коротком замыкании. Для изготовления анода специалисты Санкт-Петербургского государственного университета использовали распространенные графитовые материалы. Однако и этот компонент может быть усовершенствован путем разработки более эффективного состава.
По результатам лабораторных испытаний, полимер, разработанный российскими специалистами, продемонстрировал выдающиеся характеристики. После двух тысяч циклов зарядки и разрядки он сохранил две трети своей изначальной емкости. Помимо повышенной безопасности, важным преимуществом новой разработки является ее устойчивость к температурным воздействиям. По словам Левина, такая батарея сохраняет свои свойства и эффективно функционирует даже при температурах до минус 40 градусов.
За получение чего-либо не приходится платить бесплатно. Использование металлов, более тяжелых, чем литий, приводит к тому, что удельная емкость данной ячейки на 30-40% меньше, чем у существующих аккумуляторов. Повысить этот показатель удастся, но значительных улучшений ожидать не стоит — фундаментальные законы химии и физики не подлежат изменению. Тем не менее, этот недостаток восполняется существенно более высокой скоростью зарядки – в десять раз быстрее, чем у литий-ионных аккумуляторов. В настоящее время исследователи разрабатывают методики промышленного производства нового полимера, и первые результаты ожидаются в течение года-двух.