Изображение предоставлено: д-р Флориан Глокльхофер

Несмотря на то, что литий-ионные аккумуляторы получили широкое распространение в завязанных на накопленной энергии устройствах, такие ограничения лития, как зависимость от токсичных тяжёлых металлов, ограниченные ресурсы и проводимость, вынуждают продолжать поиски более производительных вариантов. Для решения этих проблем и создания стабильных, высокоэффективных устройств необходимы принципиально новые концепции. По всему миру прилагаются значительные усилия для разработки следующего поколения материалов для вторичных элементов питания, лишённых указанных недостатков. Создаются и проверяются различные методы и подходы, и уже есть некоторые успехи. Так, группа исследователей, состоящая из представителей Имперского колледжа Лондона, Польской академии наук и Сеульского национального университета, показала, что многообещающей альтернативой являются натриево-ионные батареи. Но вот переход на это высокопроизводительное и недорогое новшество не будет таким простым, как кажется на первый взгляд, и затруднения в этой области ещё предстоит преодолеть.

«Натриево-ионные аккумуляторы гораздо менее развиты, чем литий-ионные, хотя ионы натрия могут быть более дешёвой и зелёной альтернативой ионам лития, поскольку натрия в земной коре гораздо больше, чем лития», – описывает ситуацию один из ведущих авторов исследования, доктор Флориан Глокльхофер, научный сотрудник и стипендиат Движения Марии Склодовской-Кюри в Имперском колледже (которое, кстати, само по себе достойно внимания).

Чтобы понять в чём трудность воплощения нового подхода, нужно кое-что прояснить: в камере первичного элемента питания (то есть в простой одноразовой батарейке) энергия производится в результате протекания электронов, создаваемых химической реакцией на поверхности электродов. В аккумуляторных же элементах поток электричества от внешнего источника (например, вашего зарядного устройства) может обратить химическую реакцию, чтобы восстановить их заряд.

Так вот проблема в разработке натриево-ионной реализации связана с тем, что ионы натрия больше, чем ионы лития. Это означает, что простая замена одного другим при использовании в остальном материалов литиево-ионной технологии (типа графитовых анодов), по сути невозможна. Как поясняет Глокльхофер, их размер «делает введение этих ионов в электродный материал батареи (процесс, который происходит при зарядке батареи) более сложным найти подходящие электродные материалы для натрий-ионных батарей значительно сложнее, чем для литий-ионных».

До настоящего времени было известно, что в качестве анодных материалов с ионами натрия могут подойти лишь некоторые вещества из небольшой группы ароматических органических соединений. По итогам их исследования, проведённого командой профессора Джанг Вук Чой из Сеульского национального университета, приходится признать, что несмотря на весьма обнадёживающие показатели относительно ёмкости экспериментального элемента питания, результаты работы в целом говорят о нецелесообразности такого подхода. Всё дело в том, что во время зарядки или продолжительной эксплуатации эти органические материалы подвержены значительной деградации.

Но теперь та же команда предлагает более органичный подход: использовать в качестве электродов макроцикы – кольца молекул, содержащих атомы углерода и водорода.

«До сих пор было очень мало исследований, объединяющих исследования синтеза макроциклов и аккумуляторных электродов, – обращает внимание Глокльхофер. – Это удивительно, ведь макроциклические молекулы могут иметь превосходные свойства для применения в качестве материалов аккумуляторных электродов».

Недавние фундаментальные исследования выявили многообещающие (применительно к многоразовым элементам питания) окислительно-восстановительные свойства сопряжения макроциклов на основе их ароматичности. Особенность в том, что, во-первых, циклические плоские молекулы могут достичь более высокого состояния стабильности за счёт обмена между собой (то есть совместного пользования) электронами или делокализации их. По словам Глокльхофера, это повышает стабильность заряженных макроциклов и улучшает долговременную работу батареи. А во-вторых, сама циклическая форма молекул определяет ещё одно важное их преимущество в этом гипотетическом устройстве: «Независимо от того, насколько плотно сложены макроциклы, в центре этих циклических молекул всегда будет пространство, которое может быть занято ионами натрия при зарядке батареи», – заключает учёный.

 

Пустое пространство (обозначено синим) между макроциклами можно использовать для хранения ионов натрия.

Команда показала, что их молекулярная разработка позволила получить органические электродные материалы с превосходными характеристиками. Они отработали сотни циклов без потери ёмкости, в критических условиях быстрой зарядки и разрядки. Было продемонстрировано, что окислительно-восстановительная реакция их макроциклов происходит посредством двухэлектронного восстановления, из которого и вытекает улучшение производительности и скорости зарядки.

«Мы работаем над повышением энергетической ёмкости нашей батареи за счёт улучшения молекулярной структуры макроцикла», – отвечает Глокльхофер на вопросы относительно планов. «Это может позволить нам утроить мощность», –уверенно заявляет он. Да, почивать на лаврах пока рановато: хотя текущая версия изобретения уже демонстрирует очень хорошие характеристики при быстрой зарядке-разрядке и не теряет никакой ёмкости в течение сотен таких циклов, её ёмкость всё-таки остаётся ниже, чем у коммерческих литий-ионных аккумуляторов.

Но, учитывая многообещающую комбинацию свойств полученного материала, получается, что ароматические органические соединения имеют большие перспективы стать следующим поколением материалов для аккумуляторных электродов благодаря их низкой стоимости, экологичности и возможности переработки. Так что команда настроена оптимистично: «Наше исследование может спровоцировать новые захватывающие разработки, которые в конце концов позволят вывести на рынок органические аккумуляторные электроды и способствовать будущей зелёной и устойчивой экономике».


По материалам ASN