Органический катод для калиевых батарей: энергия в условиях арктического холода
Сотрудники ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН совместно с коллегами синтезировали азотсодержащее соединение TPHATP, которое применили в качестве катода для калиевых батарей. Это решение обеспечило значительное расширение диапазона рабочих температур аккумуляторов. Результаты исследования публикованы в журнале Chemical Communications.
Калий-ионные аккумуляторы (КИА) рассматриваются как одна из наиболее перспективных альтернатив литий-ионным технологиям, особенно для масштабного накопления энергии. Калий значительно более распространён в природе, чем литий, и его ресурсы практически неисчерпаемы, что делает КИА привлекательными как с экономической, так и с геополитической точки зрения. Однако разработка таких аккумуляторов сталкивается с серьёзными трудностями, связанными с тем, что традиционные неорганические катодные материалы специфичны к типу интеркалирующегося катиона и хорошо работают лишь с литием. Таким образом, проблема поиска новых катодных материалов для КИА является одной из ключевых.
В поисках решения группа исследователей из России сосредоточилась на органических электродных материалах. Их ключевые преимущества — структурная гибкость и возможность молекулярного дизайна, что позволяет создавать материалы с высокой плотностью активных центров и способностью обратимо связывать крупные ионы калия. Одна из последних работ коллектива посвящена применению азотсодержащего ароматического соединения — трифеназино[2,3-b]гексаазатрифенилена (TPHATP) — в качестве катода для калиевых аккумуляторов.
Малые молекулы и ковалентные органические каркасы с фрагментами гексаазатрифенилена (HATP) и гексаазатринафтилена (HATNA) ранее уже зарекомендовали себя в качестве перспективных катодных материалов для КИА. Основной задачей данной работы было расширение π-системы молекул такого типа и увеличение концентрации в них редокс-активных азот-содержащих центров, что и было достигнуто в результате синтеза TPHATP.
Синтезированный материал продемонстрировал отличные электрохимические характеристики. В полуячейке с калиевым анодом материал показал высокую удельную ёмкость до 350 мА·ч/г при низкой плотности тока, что соответствует впечатляющей энергетической плотности около 700 Вт·ч/кг. После оптимизации режима работы аккумулятор сохранял стабильную ёмкость около 200 мА·ч/г на протяжении более 600 циклов.
Наиболее ярким результатом исследования стала исключительная толерантность аккумуляторов на основе TPHATP к низким температурам. При охлаждении до экстремальной температуры −50 °C аккумулятор сохранил 73 % от своей начальной ёмкости, демонстрируя величину 147 мА·ч/г. После возвращения к комнатной температуре ёмкость полностью восстанавливалась, что свидетельствует об обратимости процессов и отсутствии деградации, вызванной холодом. Такой результат превосходит показатели многих современных неорганических аналогов и открывает путь к созданию источников питания для работы в условиях Крайнего Севера, высокогорья, космоса и других экстремальных сред.
Таким образом, работа демонстрирует успешный пример рационального молекулярного дизайна органического электродного материала, который не только решает фундаментальные проблемы калиевых аккумуляторов, но и значительно расширяет диапазон рабочих температур этих устройств. Дальнейшие усилия будут направлены на подавление растворения активного материала, например, путём создания полимерных структур на его основе.
В исследовании принимали участие научные сотрудники ФИЦ ПХФ и МХ РАН, Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН, Института физики и технологии УрФУ, Института физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН, Чжэнчжоуского исследовательского института Харбинского политехнического университета (HIT, Китай).
Источник: ФИЦ ПХФ и МХ РАН.
