Трудно представить нашу повседневную жизнь без литий-ионных батарей. Они доминируют на рынке аккумуляторов небольшого формата для портативных электронных устройств, а также широко используются в электромобилях. В то же время литий-ионные аккумуляторы имеют ряд серьезных проблем, включая: потенциальную опасность возгорания и снижение производительности при низких температурах, а также значительное воздействие на окружающую среду утилизации использованных батарей.
По словам руководителя группы исследователей, профессора кафедры электрохимии СПбГУ Олега Левина, химики изучают окислительно-восстановительные нитроксилсодержащие полимеры в качестве материалов для электрохимического накопления энергии. Эти полимеры характеризуются высокой плотностью энергии и быстрой скоростью зарядки и разрядки благодаря быстрой окислительно-восстановительной кинетике. Одной из проблем при реализации такой технологии является недостаточная электропроводность. Это препятствует накоплению заряда даже с присадками с высокой проводимостью, такими как углерод.
В поисках решений этой проблемы исследователи из Санкт-Петербургского университета синтезировали полимер на основе комплекса никель-сален (NiSalen). Молекулы этого металлополимера действуют как молекулярная проволока, к которой прикреплены энергоемкие нитроксильные подвески. Молекулярная архитектура материала позволяет достичь высоких емкостных характеристик в широком диапазоне температур.
На разработку полимера ушло более трех лет. В первый год ученые опробовали концепцию нового материала: они объединили отдельные компоненты, чтобы имитировать электропроводящую основу и окислительно-восстановительные подвески, содержащие нитроксил. Было важно убедиться, что все части конструкции работают вместе и усиливают друг друга. Следующим этапом стал химический синтез соединения. Это была самая сложная часть проекта. Это связано с тем, что некоторые компоненты чрезвычайно чувствительны, и даже малейшая ошибка ученого может вызвать ухудшение качества образцов.
Из нескольких полученных образцов полимера только один оказался достаточно стабильным и эффективным. Основная цепь нового соединения образована комплексами никеля с саленовыми лигандами. Стабильный свободный радикал, способный к быстрому окислению и восстановлению (заряд и разряд), был связан с основной цепью ковалентными связями.
Аккумулятор, изготовленный с использованием нашего полимера, заряжается за секунды — примерно в десять раз быстрее, чем традиционный литий-ионный аккумулятор. Это уже было продемонстрировано серией экспериментов. Однако на данном этапе он все еще отстает по емкости - на 30-40% ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов. Сейчас ученые работают над улучшением этого показателя при сохранении скорости заряда-разряда.
Новый аккумулятор способен работать при низких температурах и станет отличным вариантом там, где важна быстрая зарядка. Он безопасен в использовании — нет ничего, что могло бы создать опасность возгорания, в отличие от широко распространенных сегодня батарей на основе кобальта. Он также содержит значительно меньше металлов, которые могут нанести вред окружающей среде. Никель присутствует в нашем полимере в небольшом количестве, но его гораздо меньше, чем в литий-ионных аккумуляторах.