2019年11月13日
研究人员与俄罗斯皇家科学院化学物理问题研究所和乌拉尔联邦大学的科学家合作斯科尔特已经证明，在不使用锂或其他稀有元素的情况下，用有机材料开发大容量、大功率电池是可能的。亚博网站下载
此外，在快速充电/放电钾基电池中，它们表现出显著的阴极材料稳定性和前所未有的能量密度水平。研究结果已在亚博网站下载材料化学杂志亚博网站下载,物理化学通讯杂志，及化学通讯.
锂离子电池在人类日常生活中是不可避免的：它们被广泛用于能量储存，特别是在便携式电子产品中。由于电动汽车的快速发展，对电池的需求一直在增加，电动汽车吸引着越来越多的投资。
例如，沃尔沃计划到2025年将电动汽车占其累计销量的比例提高到50%。戴姆勒已宣布打算完全停止内燃机的生产，将重点转向电动汽车。
但锂离子电池的大规模使用导致了其生产所需资源的严重短缺。通常用于镍、钴和锰等阴极的过渡金属非常罕见，价格昂贵，而且有毒。
虽然不太丰富的锂中有很大一部分是由少数几个国家生产的，但全世界的锂供应量太少，无法用锂电池驱动的电动汽车取代所有传统汽车。
正如德国能源经济研究中心（FFE）预测的那样，在未来几十年中，锂储量短缺可能成为一个主要问题。科学家最近提议考虑其他替代品，如钾和钠，它们的化学性质与锂相似。
在Pavel Troshin教授的领导下，Skoltech的研究人员在开发基于有机阴极材料的钾和钠电池方面取得了相当大的进展。该研究成果已在三份顶级国际科学期刊上发表。亚博网站下载
第一篇论文描述了一种由六氮杂三苯碎片组成的聚合物。人们发现这种新材料同样适用于锂、钾和钠电池，这些电池在30到60秒内充电，同时即使在数千次充放电循环后仍能保持其储能能力。
多功能性是有机材料的关键优势之一。有机材料的氧化还原机制与反离子的性质无关，这使得寻找锂离子电池的替代品亚博网站下载变得更加容易。随着锂价格的上涨，用永远不会耗尽的更便宜的钠或钾来取代它是有意义的。至于无机锂电池物质方面，事情要复杂得多.
罗曼·卡帕耶夫，Skoltech的博士生
卡帕耶夫是第一篇论文的第一作者。这种情况下的缺点是基于六氮杂苯的聚合物阴极的工作电位较低（相对于K接近1.6 V）+/K电位），导致储能能力下降。
在第二项研究中，研究人员提出了另一种材料，一种基于二氢吩嗪的聚合物，它克服了这一缺点，并保证电池的平均工作电压增加到3.6 V。
芳香族聚合物胺可以成为金属离子电池的优秀高压有机阴极。在我们的研究中，我们首次在钾电池阴极中使用聚-N-苯基-5,10-二氢吩嗪。通过彻底优化电解液，我们获得了593 W×h/kg的比能，这是目前已知的所有K-io的最高值电池阴极.
Philipp Obrezkov，斯科尔特科技大学博士生
奥布雷兹科夫是第二篇论文的第一作者。金属离子电池的一个主要问题，特别是那些包括金属阳极的电池，是金属树突生长到电池中并导致短路。这些通常伴随着火灾甚至爆炸。
这可以通过用它们的合金替换纯碱金属来防止，这些合金在电池工作温度下是液态的。最近，2019年诺贝尔奖得主约翰·b·古迪纳夫教授提出了这一观点。众所周知，低熔点的钾钠合金(NaK)中钠的质量含量接近22%，熔点为−12.7℃。
在第三项研究中，将一种类似的钾钠合金应用于碳纸上作为阳极，并将先前获得的氧化还原活性聚合物用作阴极。研究发现，这种电池可以在10秒内充放电。
令人着迷的是，其中一种聚合物阴极为钾电池提供了最高的能量容量，而另一种则表现出出色的稳定性，在10000次充放电循环后仅损失11%的容量。此外，基于这两种材料的电池显示出约100000 W/kg的无与伦比的功率特性-超级电容器的电平特性。亚博网站下载
目前，金属离子电池和超级电容器是最常见的储能解决方案。前者每单位质量储存大量能量，但充电缓慢，经过多次循环后容量损失较快；而后者充电迅速，可承受数万次循环，但存储容量较差.
Pavel Troshin，Skoltech团队负责人
特罗申补充道我们发现，电活性有机材料可以为结合金属离子电池和超级电容器优点的新一代电化亚博网站下载学储能装置铺平道路，从而消除对昂贵的过渡金属化合物和锂的需求.”
资料来源：https://www.skoltech.ru/en/