Un nou tip de baterie care se poate încărca de zece ori mai repede decât o baterie litiu-ion

Este dificil să ne imaginăm viața de zi cu zi fără baterii litiu-ion. Acestea domină piața bateriilor de format mic pentru dispozitivele electronice portabile și sunt, de asemenea, utilizate în mod obișnuit în vehiculele electrice. În același timp, bateriile litiu-ion au o serie de probleme grave, inclusiv un pericol potențial de incendiu și pierderea performanței la temperaturi scăzute, precum și un impact considerabil asupra mediului al eliminării bateriilor uzate.

Potrivit liderului echipei de cercetători, profesor în cadrul Departamentului de Electrochimie de la Universitatea din Sankt Petersburg Oleg Levin, chimiștii au explorat polimeri care conțin nitroxil activi redox ca materiale pentru stocarea energiei electrochimice. Acești polimeri se caracterizează printr-o densitate ridicată a energiei și o viteză rapidă de încărcare și descărcare datorită cineticii redox rapide. O provocare către implementarea unei astfel de tehnologii este conductivitatea electrică insuficientă. Acest lucru împiedică colectarea încărcăturii chiar și cu aditivi extrem de conductivi, cum ar fi carbonul.

Căutând soluții pentru a depăși această problemă, cercetătorii de la Universitatea din Sankt Petersburg au sintetizat un polimer pe baza complexului de nichel-salen (NiSalen). Moleculele acestui metalopolimer acționează ca un fir molecular de care sunt atașate pandantive de nitroxil consumatoare de energie. Arhitectura moleculară a materialului permite obținerea unei performanțe ridicate de capacitate pe o gamă largă de temperaturi. „Am venit cu conceptul acestui material în 2016. În acel moment, am început să dezvoltăm un proiect fundamental. Materiale pentru electrozi pentru baterii litiu-ion pe bază de polimeri organometalici ”.

Acesta a fost susținut de o subvenție de la Russian Science Foundation. ”Când am studiat mecanismul de transport al încărcăturii în această clasă de compuși, am descoperit că există două direcții cheie ale dezvoltării. În primul rând, acești compuși pot fi folosiți ca strat protector pentru a acoperi cablul conductorului principal al bateriei, care altfel ar fi realizat din materiale tradiționale ale bateriei litiu-ion. Și în al doilea rând, ele pot fi utilizate ca o componentă activă a materialelor de stocare a energiei electrochimice ”, explică Oleg Levin. Polimerul a durat peste trei ani pentru a se dezvolta. În primul an, oamenii de știință au testat conceptul noului material: au combinat componente individuale pentru a simula coloana vertebrală conducătoare de electricitate și pandantivele care conțin nitroxil activ redox.

”Era esențial să ne asigurăm că toate părțile structurii funcționează împreună și se întăresc reciproc. Următoarea etapă a fost sinteza chimică a compusului. A fost cea mai provocatoare parte a proiectului. Acest lucru se datorează faptului că unele componente sunt extrem de sensibile și chiar și cea mai mică eroare a unui om de știință poate provoca degradarea probelor. Dintre cele mai multe exemplare de polimer obținute, doar unul a fost suficient de stabil și eficient. Lanțul principal al noului compus este format din complexe de nichel cu liganzi salen. Un radical liber stabil, capabil de oxidare și reducere rapidă (încărcare și descărcare), a fost legat de lanțul principal prin legături covalente.” spune Oleg Levin.

„O baterie fabricată folosind polimerul nostru se va încărca în câteva secunde – de aproximativ zece ori mai rapid decât o baterie tradițională litiu-ion. Acest lucru a fost deja demonstrat printr-o serie de experimente. Cu toate acestea, în acest stadiu, acesta rămâne în urmă în ceea ce privește capacitatea – cu 30 până la 40% mai mic decât în ​​cazul bateriilor litiu-ion. În prezent lucrăm pentru a îmbunătăți acest indicator, menținând în același timp rata de încărcare-descărcare ‘, mai precizează Oleg Levin. Catodul pentru noua baterie a fost fabricat – un electrod pozitiv pentru utilizare în surse de curent chimic. Acum este nevoie de electrodul negativ – anodul. De fapt, nu trebuie creat de la zero – poate fi selectat dintre cele existente. Împreună, vor forma un sistem care, în unele zone, poate înlocui în curând bateriile litiu-ion. „Noua baterie este capabilă să funcționeze la temperaturi scăzute și va fi o opțiune excelentă în care încărcarea rapidă este crucială. Este sigur de utilizat – nu există nimic care să poată reprezenta un pericol de combustie, spre deosebire de bateriile pe bază de cobalt care sunt răspândite astăzi. De asemenea, conține semnificativ mai puține metale care pot provoca daune mediului. Nichelul este prezent în polimerul nostru într-o cantitate mică, dar este mult mai puțin din acesta decât în ​​bateriile litiu-ion ”, precizează Oleg Levin.

Sursa: eurekalert.org