Los investigadores de Skoltech en colaboración con científicos del Instituto de Problemas de Física Química de RAS y la Universidad Federal de los Urales han demostrado que la alta capacidad, Las baterías de alta potencia pueden fabricarse con materiales orgánicos sin litio u otros elementos raros. Además, demostraron la impresionante estabilidad de los materiales del cátodo y registraron una alta densidad de energía en baterías basadas en potasio de carga / descarga rápida. Los resultados de sus estudios fueron publicados en la Revista de Química de Materiales A , los Revista de letras de química física y Comunicaciones químicas .

Las baterías de iones de litio se utilizan ampliamente para el almacenamiento de energía, particularmente en la electrónica portátil. La demanda de baterías está aumentando debido al rápido avance de los vehículos eléctricos con altos requisitos de litio. Por ejemplo, Volvo tiene la intención de aumentar la participación de vehículos eléctricos al 50 por ciento de sus ventas totales para 2025, y Daimler anunció sus planes de renunciar por completo a los motores de combustión interna, cambiando el énfasis a los vehículos eléctricos.

Sin embargo, El uso masivo de baterías de iones de litio agrava la aguda escasez de recursos necesarios para su producción. Metales de transición comúnmente utilizados en cátodos, como el cobalto, níquel y manganeso, son bastante raros, caro y tóxico. Si bien la mayor parte del litio menos común se produce en un puñado de países, el suministro mundial de litio es demasiado escaso para reemplazar todos los automóviles convencionales con vehículos eléctricos que funcionan con baterías de litio. Según lo estimado por el Centro Alemán de Investigación para la Economía de la Energía (FFE), la escasez de reservas de litio puede convertirse en un problema importante en las próximas décadas. Recientemente, Los científicos han sugerido buscar alternativas como el sodio y el potasio, que son similares al litio en propiedades químicas.

Los investigadores de Skoltech dirigidos por el profesor Pavel Troshin han logrado avances significativos en el desarrollo de baterías de sodio y potasio basadas en materiales de cátodos orgánicos. Los resultados de sus investigaciones se informaron en tres publicaciones en las principales revistas científicas internacionales.

Su primer artículo presenta un polímero que contiene fragmentos de hexaazatrifenileno. El nuevo material demostró ser igualmente adecuado para el litio, baterías de sodio y potasio que se cargan en 30 a 60 segundos mientras retienen su capacidad de almacenamiento de energía después de miles de ciclos de carga y descarga. "La versatilidad es una de las ventajas clave de los materiales orgánicos, "explica el primer autor del artículo y estudiante de doctorado de Skoltech Roman Kapaev." Sus mecanismos redox son mucho menos específicos de la naturaleza del contraión, lo que facilita la búsqueda de una alternativa a las baterías de iones de litio. Con los precios del litio subiendo, tiene sentido reemplazarlo con sodio o potasio más baratos que nunca se acabarán. En cuanto a los materiales inorgánicos, las cosas son mucho más complicadas ".

La desventaja es que los cátodos de polímero a base de hexaazatrifenileno tienen un potencial operativo bajo (aproximadamente 1,6 V voltios con respecto al potencial K + / K), lo que resulta en una disminución de la capacidad de almacenamiento de energía. En su segundo artículo, los científicos propusieron otro material, un polímero a base de dihidrofenazina que no tiene este inconveniente y asegura un aumento en el voltaje operativo promedio de la batería hasta 3.6 voltios.

"Las aminas de polímeros aromáticos pueden ser excelentes cátodos orgánicos de alto voltaje para baterías de iones metálicos. En nuestro estudio, usamos poli-N-fenil-5, 10-dihidrofenazina en el cátodo de la batería de potasio por primera vez. Optimizando completamente el electrolito, obtuvimos una energía específica de 593 Wh / kg, un valor récord para todos los cátodos de baterías de iones de K actualmente conocidos, "explica el primer autor del estudio y estudiante de doctorado de Skoltech, Philipp Obrezkov.

Un problema importante en las baterías de iones de metal, especialmente aquellos con un ánodo de metal, es el crecimiento de dendritas metálicas en la célula, que provocan cortocircuitos, a menudo acompañado de fuego e incluso explosión. Reemplazar los metales alcalinos puros con sus aleaciones en forma líquida a la temperatura de funcionamiento de la batería puede prevenir tales incidentes. Esto fue propuesto recientemente por el profesor John B. Goodenough, ganador del Premio Nobel en 2019.

Se sabe que la aleación de sodio y potasio de bajo punto de fusión (NaK) contiene aproximadamente un 22 por ciento de sodio en peso y tiene un punto de fusión de -12,7 grados Celsius.

En su tercer estudio, los científicos utilizaron una aleación similar de potasio-sodio aplicada sobre papel carbón como ánodo y los polímeros activos redox obtenidos anteriormente como cátodos. Estas baterías se pueden cargar y descargar en menos de 10 segundos. Curiosamente, uno de los cátodos de polímero exhibió la mayor capacidad de energía para las baterías de potasio, mientras que el otro mostró una excelente estabilidad, con solo el 11 por ciento de la capacidad perdida después de 10, 000 ciclos de carga / descarga. También, las baterías basadas en estos dos materiales mostraron características de potencia inigualables de casi 100, 000 W / kg, un nivel típico de los supercondensadores.

"En la actualidad, Las baterías de iones metálicos y los supercondensadores son las soluciones de almacenamiento de energía más comunes. "dice el líder del equipo Pavel Troshin." Los primeros almacenan mucha energía por unidad de masa, pero se cargan lentamente y pierden capacidad con bastante rapidez después de varios ciclos, mientras que estos últimos se cargan rápidamente y resisten decenas de miles de ciclos, pero tienen poca capacidad de almacenamiento. Demostramos que los materiales orgánicos electroactivos pueden allanar el camino para una nueva generación de dispositivos de almacenamiento de energía electroquímica que combinan las ventajas de las baterías de iones metálicos y los supercondensadores. eliminando así la necesidad de costosos compuestos de metales de transición y litio ".