Технология из Сколтеха обещает прорыв в альтернативной энергетике

Речь идет о новых достижениях в разработке калий-ионных аккумуляторов, на этот раз с использованием полимеров, которые, возможно, скоро придут на смену классическим неорганическим солям и оксидам тяжелых металлов, использующихся сейчас в качестве катодов в металл-ионных аккумуляторах.

Новый подход предложила группа ученых Сколковского института науки и технологий (Сколтех) в сотрудничестве с коллегами из Института проблем химической физики РАН и Уральского федерального университета. В работах, опубликованных в журналах Journal of Materials Chemistry A, Journal of Physical Chemistry Letters и Chemical Communications исследователи показали, что в калий-ионных аккумуляторах органические материалы способны обеспечить рекордные характеристики, в частности высокие энергоемкость и мощность.

Но ведь уже существуют литий-ионные аккумуляторы. Зачем их на что-то менять?

«При массовом использовании литиевых аккумуляторов со временем встанет проблема дефицита редких элементов, таких как кобальт и никель: их количество в природе ограничено,— объясняет руководитель проекта, профессор Центра энергетических исследований Сколтеха Павел Трошин.— К тому же эти металлы токсичны, потому нужны специальные меры по утилизации отслуживших свой срок аккумуляторов. Кроме того, литий — трудноизвлекаемый и рассеянный элемент. Есть расчеты, что даже если все запасы лития на планете использовать для производства литий-ионных аккумуляторов, его не хватит, чтобы все автомобили перевести на электротягу, не говоря уже о других потребностях человечества. Понятно, что в долгосрочной перспективе помимо литиевых аккумуляторов необходимо будет использовать и другие технологии запасания энергии».

Неудивительно, что в последние годы в мире наблюдается настоящий бум в исследованиях калиевых источников тока: свойствами калий очень близок к литию.

В классических аккумуляторах в качестве электродных материалов используются смешанные соли или оксиды лития и тяжелых металлов (катод) и углеродные материалы, например графит (анод). При зарядке аккумулятора литий из катода переходит в графит на аноде, в результате чего там получается соединение углерода и лития. Но вместо лития можно взять калий, а вместо соединений тяжелых металлов в катоде — органические полимеры, построенные из легких и распространенных в живой природе элементов: углерода, водорода, кислорода, азота. Полимерные катоды оптимального состава и строения могут аккумулировать в несколько раз больший заряд на единицу массы по сравнению с классическими неорганическими катодными материалами. Это свойство обеспечивает аналогичное увеличение емкости аккумуляторов при замене неорганических катодов на полимерные органические, что открывает большие возможности для разработки аккумуляторов нового поколения. «Использование органических материалов позволило нам получить рекордные на сегодняшний день характеристики в калиевых источниках тока. Уже сейчас в этом типе аккумуляторов органика работает лучше, чем классические неорганические материалы. И есть значительные перспективы для дальнейшего улучшения их характеристик»,— уверен Павел Трошин.

Одновременно идет процесс разработки новых анодов. Около полутора лет назад лауреат Нобелевской премии за создание литий-ионных аккумуляторов (2019) Джон Гуденаф предложил использовать калиево-натриевый сплав в матрице углеродного материала на аноде. «Плюс таких аккумуляторов в том, что они более безопасны, чем классические литиевые,— рассказывает Павел Трошин.— При использовании в аккумуляторах графита или других материалов с низкими электрохимическими потенциалами ионы лития могут восстанавливаться на аноде до металла, например при избыточной зарядке аккумулятора. Образовавшийся на аноде металлический литий разрастается в виде дендрита, прорастает сквозь сепаратор (мембрана между электродами), возникает короткое замыкание, и происходит тепловой взрыв. В случае калиево-натриевого сплава такое в принципе невозможно, потому что при температуре выше –13оС он находится в жидком состоянии».

Группа Трошина предложила использовать в аккумуляторах полимерные катоды в сочетании с калиево-натриевым анодом: «Оптимальные свойства катодного и анодного материалов позволили нам создать очень быстрые аккумуляторы, которые можно полностью заряжать и разряжать всего за 10–20 сек. По своим мощностным характеристикам эти аккумуляторы близки к суперконденсаторам, а по энергоемкости они на порядок лучше. Это открывает значительные возможности для практического использования разработанных устройств вместо суперконденсаторов»,— подчеркивает Павел Трошин.

В электромобилях такие аккумуляторы использовать пока не получится: слишком велики. Плотность органических материалов в три-четыре раза ниже, чем неорганических, «органический» аккумулятор того же веса, что и классический литий-ионный, будет в несколько раз больше по объему.

Зато новые аккумуляторы на органических материалах могут сыграть ключевую роль в развитии альтернативной энергетики. В Германии, например, уже почти половина электроэнергии поступает из возобновляемых источников. Одни только солнечные и ветряные электростанции производят ее больше, чем можно использовать или хранить на территории страны. Поэтому приходится избыточную энергию экспортировать. Так что развитие возобновляемой энергетики сейчас тормозится не генерацией энергии, а отсутствием эффективной и дешевой технологии ее запасания в больших масштабах.

«И здесь металл-ионные, прежде всего калий-ионные, аккумуляторы займут важное место,— надеется Павел Трошин.— Южная Корея, например, использует литий-ионные аккумуляторы в национальной системе энергосетей, она мировой лидер по этому показателю, но это дорого. Калий-ионные аккумуляторы будут намного дешевле, стоимость калия на порядок ниже, чем лития. Использование органических материалов, не содержащих дорогих элементов вроде кобальта, марганца или никеля, тоже существенно удешевит такие накопители энергии. Думаю, это станет главной областью применения нашей разработки».

Потенциал органических материалов еще далеко не исчерпан, и, возможно, со временем найдутся такие, которые позволят создать недорогой, энергоемкий и надежный аккумулятор для электромобиля, считает Павел Трошин.

Елена Туева