Pesquisadores da Skoltech em colaboração com cientistas do Instituto de Problemas de Física Química da RAS e da Universidade Federal de Ural mostraram que a alta capacidade, baterias de alta potência podem ser feitas de materiais orgânicos sem lítio ou outros elementos raros. Além disso, eles demonstraram a estabilidade impressionante dos materiais do cátodo e registraram alta densidade de energia em baterias à base de potássio de carga / descarga rápida. Os resultados de seus estudos foram publicados no Journal of Materials Chemistry A , a Journal of Physical Chemistry Letters e Comunicações Químicas .

As baterias de íon-lítio são amplamente utilizadas para armazenamento de energia, particularmente em eletrônicos portáteis. A demanda por baterias está aumentando devido ao rápido avanço dos veículos elétricos com alta demanda de lítio. Por exemplo, A Volvo pretende aumentar a participação de veículos elétricos para 50 por cento de suas vendas totais até 2025, e a Daimler anunciou seus planos de abandonar completamente os motores de combustão interna, mudando a ênfase para veículos elétricos.

Contudo, o uso em massa de baterias de íon-lítio exacerba a aguda escassez de recursos necessários para sua produção. Metais de transição comumente usados ​​em cátodos, como cobalto, níquel e manganês, são bastante raros, caro e tóxico. Embora a maior parte do lítio menos comum seja produzida por um punhado de países, o suprimento global de lítio é insuficiente para substituir todos os automóveis convencionais por veículos elétricos movidos a baterias de lítio. Conforme estimado pelo Centro Alemão de Pesquisa para Economia da Energia (FFE), a escassez de reservas de lítio pode se tornar um grande problema nas próximas décadas. Recentemente, cientistas sugeriram procurar alternativas, como sódio e potássio, que são semelhantes ao lítio em propriedades químicas.

Os pesquisadores da Skoltech liderados pelo professor Pavel Troshin fizeram avanços significativos no desenvolvimento de baterias de sódio e potássio baseadas em materiais catódicos orgânicos. Os resultados de suas pesquisas foram relatados em três publicações nas principais revistas científicas internacionais.

Seu primeiro artigo apresenta um polímero que contém fragmentos de hexaazatrifenileno. O novo material provou ser igualmente adequado para o lítio, baterias de sódio e potássio que carregam em 30 a 60 segundos, mantendo sua capacidade de armazenamento de energia após milhares de ciclos de carga e descarga. "A versatilidade é uma das principais vantagens dos materiais orgânicos, "explica o primeiro autor do artigo e estudante de Ph.D. de Skoltech Roman Kapaev." Seus mecanismos redox são muito menos específicos para a natureza do contra-íon, o que torna mais fácil encontrar uma alternativa às baterias de íon de lítio. Com os preços do lítio subindo, faz sentido substituí-lo pelo sódio ou potássio mais barato que nunca acabará. Quanto aos materiais inorgânicos, as coisas são muito mais complicadas. "

A desvantagem é que os cátodos de polímero à base de hexaazatrifenileno têm um baixo potencial operacional (cerca de 1,6 V volts em relação ao potencial K + / K), o que resulta na diminuição da capacidade de armazenamento de energia. Em seu segundo artigo, os cientistas propuseram outro material, um polímero à base de dihidrofenazina que não tem essa desvantagem e garante um aumento na tensão operacional média da bateria de até 3,6 volts.

"As aminas poliméricas aromáticas podem ser excelentes cátodos orgânicos de alta voltagem para baterias de íons metálicos. Em nosso estudo, usamos poli-N-fenil-5, 10-dihidrofenazina no cátodo da bateria de potássio pela primeira vez. Ao otimizar completamente o eletrólito, obtivemos energia específica de 593 Wh / kg, um valor recorde para todos os cátodos de bateria de íon K atualmente conhecidos, "explica o primeiro autor do estudo e aluno de Ph.D. da Skoltech, Philipp Obrezkov.

Um grande problema em baterias de íons de metal, especialmente aqueles com um ânodo de metal, é o crescimento de dendritos de metal na célula, que causam curtos-circuitos, frequentemente acompanhada por fogo e até explosão. A substituição de metais alcalinos puros por suas ligas na forma líquida na temperatura de operação da bateria pode evitar tais incidentes. Isso foi recentemente proposto pelo Professor John B. Goodenough, um vencedor do Prêmio Nobel em 2019.

A liga de potássio e sódio de baixo ponto de fusão (NaK) é conhecida por conter cerca de 22 por cento de sódio em peso e tem um ponto de fusão de -12,7 graus Celsius.

Em seu terceiro estudo, os cientistas usaram uma liga similar de potássio-sódio aplicada em papel carbono como ânodo e os polímeros redox ativos obtidos anteriormente como cátodos. Essas baterias podem ser carregadas e descarregadas em menos de 10 segundos. Interessantemente, um dos cátodos de polímero exibiu a maior capacidade de energia para baterias de potássio, enquanto o outro mostrou excelente estabilidade, com apenas 11 por cento da capacidade perdida após 10, 000 ciclos de carga / descarga. Também, as baterias baseadas nestes dois materiais exibiram características de energia incomparáveis ​​de quase 100, 000 W / kg, um nível típico para supercondensadores.

"Atualmente, baterias de íons metálicos e supercapacitores são as soluções de armazenamento de energia mais comuns, "diz o líder da equipe Pavel Troshin." O primeiro armazena muita energia por unidade de massa, mas carregue lentamente e perca capacidade rapidamente após uma série de ciclos, enquanto o último carrega rapidamente e resiste a dezenas de milhares de ciclos, mas têm pouca capacidade de armazenamento. Mostramos que os materiais orgânicos eletroativos podem abrir caminho para uma nova geração de dispositivos de armazenamento de energia eletroquímica combinando as vantagens das baterias de íons metálicos e supercapacitores, eliminando assim a necessidade de compostos caros de metal de transição e lítio. "