基于有机聚合物的超级充电高容量钾电池

插图快速充电电池技术

Skoltech研究人员与RAS和Ural联邦大学的化学物理学研究所的科学家合作表明,高容量的高功率电池可以由有机材料制成而不使用锂或其他稀有元素。此外,它们证明了阴极材料的令人印象深刻的稳定性,并在快速充电/放电钾电池中记录高能量密度。他们的研究结果在材料化学A,物理化学字母和化学通信杂志上发表。yabovip2021

锂离子电池在我们的日常生活中是必不可少的:它们广泛用于储能,特别是在便携式电子设备中。由于吸引了不断增加的投资的电动汽车的快速进步,电池的需求飙升。例如,沃尔沃打算将电动车的份额增加到2025年的整体销售额的50%,戴姆勒宣布计划完全放弃内燃机,转向电动车辆。

然而,锂离子电池的大规模使用为其生产所需的资源的急性短缺带来了前景。阴极中常用的过渡金属,如钴,镍和锰,相当罕见,也很昂贵,也是毒性。虽然少数常见锂的大部分是由少数各国生产的,但全球锂供应对于所有传统的汽车都太薄,所有传统的汽车都是用锂电池供电的电动汽车所取代的。据德国能源经济学(FFE)估计,锂储量的稀缺可能成为未来几十年的主要问题。最近,科学家建议看看其他替代品,例如钠和钾,类似于化学性质的锂。

Pavel Troshin教授领导的Skoltech研究人员在基于有机正极材料的钠和钾电池的开发方面取得了重大进展。他们的研究结果据报道,在顶级国际科学期刊上有三个出版物。

他们的第一篇论文呈现含有六氮硝基苯基片段的聚合物。新材料被证明,同样适用于锂,钠和钾电池,在30至60秒内收取的电池,同时在数千次充电放电循环后保持其能量储存能力。“多功能性是有机材料的关键优势之一,”罗马卡帕夫纸和Skoltech Phd学生的第一作者解释说。“它们的氧化还原机制对抗衡离子的性质无关,这使得更容易找到锂离子电池的替代品。用锂价格上涨,用更便宜的钠或钾来取代它是有道理的。至于无机材料,事情更复杂。“

缺点是,六氮杂三苯基聚合物阴极有一个低的工作电位(约1.6 V伏特相对于K+/ k电位),导致储能量降低。在他们的第二篇论文,科学家提出了另一种材料,一种基于二氢噻嗪的聚合物,其不具有该缺点并确保电池的平均工作电压的增加高达3.6伏。“芳族聚合物胺可以为金属离子电池制成出色的高压有机阴极。在我们的研究中,我们首次使用钾电池阴极中的聚N-苯基-5,10-二氢噻吩。通过彻底优化电解质,我们获得了593W×H / kg的特定能量,所有当前已知的K离子电池阴极的记录高值,“解释了研究和Skoltech Phd Student,Philipp Obrezkov的第一作者。

金属离子电池的主要问题是金属离子电池,尤其是具有金属阳极的电池,是金属枝晶,其生长到导致短路的细胞中,常伴伴有火甚至爆炸。为了避免这种情况,可以用它们的合金代替纯碱金属,在电池工作温度下是液体。最近由John B. Goodenough教授提出了诺贝尔奖获得者2019年。低熔点钾和钠合金(NAK)已知含有约22%的重量钠,并且具有-12.7的熔点O.C。

在他们的第三次研究在美国,科学家们用类似的钾钠合金涂在碳纸上作为阳极,而早先获得的氧化还原活性聚合物作为阴极。据了解,这种电池的充放电时间不到10秒。有趣的是,其中一种聚合物阴极在钾电池中表现出最高的能量容量,而另一种聚合物阴极表现出良好的稳定性,在充放电10000次后仅损失11%的容量。此外,基于这两种材料的电池显示出了无与伦比的近100,000 W/kg的功率特性——这是超级电容器的典型水平。

“目前,金属离子电池和超级电容器是最常见的能量存储解决方案,”队长,帕波罗什队的评论。“前者每单位质量储存大量的能量,但在许多循环后相当快地充电,并且在多个周期之后相当快地减轻能力,而后者充电快速且承受成千上万的循环,但储存能力差。我们表明,电活性有机材料可以为新一代的电化学能量存储装置铺平,这些电化学能量存储装置结合了金属离子电池和超级电容器的优点,从而消除了对昂贵的过渡金属化合物和锂的需求。“

参考:

“六氮硝基苯基聚合物阴极用于快速稳定的锂,钠和钾离子电池”由Roman R. Kapaev,Ivan S. Zhidkov,Ernst Z.Kurmaev,Keith J. Stevenson和Pavel A. Troshin,2019年9月23日那材料化学杂志Ayabovip2021
DOI:10.1039 / C9TA06430C

“高能量和高功率密度钾离子电池使用二氢噻吩基聚合物作为活性阴极材料”通过Filipp A. Obrezkov,Vahid Ramezankhani,Ivan Zhidkov,Valerii F.Treven,Ernst Z.Kurmaev,Keith J. Stevenson和Pavel A. Troshin,2019年9月7日,物理化学字母杂志yabovip2021
DOI:10.1021 / ACS.JPCLETT.9B02039

“金属离子电池符合SuperCapacitors:高容量和高速率能力可充电电池与有机阴极和Na / K合金阳极”由Roman R. Kapaev,Filipp A. Obrezkov,Keith J. Stevenson和Pavel A. Troshin,9月4日2019年,化学通信
DOI:10.1039 / C9cc05745e

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