Исследователи из лаборатории перспективных электродных материалов для химических источников тока и лаборатории функциональных материалов для электроники и медицины Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук (ФИЦ ПХФ и МХ РАН) предложили методику самосгущения электролита, которая открывает новые возможности для разработки высокоэффективных гелевых электролитов не только для калий-ионных батарей, но и для других типов энергетических устройств.

В условиях необходимости устойчивого развития рынка энергетических накопителей происходит постепенный переход от традиционных литий-ионных аккумуляторов к альтернативным технологиям. Среди них особое внимание привлекают калий-ионные батареи, которые обладают рядом преимуществ, таких как доступность калия и потенциал для снижения стоимости. Однако на сегодняшний день их практическое внедрение сталкивается с рядом технических препятствий, связанных с недостаточной оптимизацией компонентов и отсутствием эффективных электролитных систем.

Одной из ключевых проблем является разработка безопасных и стабильных гелевых полимерных электролитов, которые обеспечивают хорошую электропроводность и механическую прочность. В литий-ионных батареях широко используют гелиобразующие полимеры, образующиеся в процессе in situ полимеризации, инициируемой растворимыми в электролите инициаторами. Однако аналогичные подходы не работают для калий-ионных систем, поскольку используемый в них инициатор — KPF₆ — не вызывает необходимой реакции полимеризации.

В исследовании предложено решение этой проблемы посредством использования новой добавки — NOPF₆, которая запускает реакцию полимеризации диизоксолана (DOL) внутри ячейки, приводя к образованию гелевого электролита прямо в процессе работы батареи. Такой подход позволил создать первые калий-ионные батареи с гелевым полимерным электролитом на основе DOL и добиться значительного улучшения циклической стабильности.

Дополнительно проведённое детальное исследование реакции полимеризации с помощью газовой хроматографии-масс-спектрометрии (GC-MS) выявило ключевые промежуточные соединения и механизмы стабилизации оксониевых ионов, а также природу конечных групп в цепях полимера. Полученные фундаментальные знания и предложенная методика самосгущения электролита открывают новые возможности для разработки высокоэффективных гелевых электролитов не только для калий-ионных батарей, но и для других типов энергетических устройств.

Данный подход представляет собой важный шаг к созданию более безопасных, долговечных и экономичных аккумуляторов будущего, способных заменить существующие технологии и обеспечить устойчивое развитие энергетики.

В исследовании принимали участие Е. Щурик, Ю. Балуда,  О. Краевая из лаборатории перспективных электродных материалов для химических источников тока, С.М. Алдошин — научный руководитель ФИЦ ПХФ и МХ РАН, вице-президент РАН, и П. Трошин из лаборатории функциональных материалов для электроники и медицины.

Статья об исследовании опубликована в журнале Sustainable Energy and Fuels.

Источник: ФИЦ ПХФ и МХ РАН.