基于有机聚合物的超快充电大容量钾电池

Skoltech研究人员与RAS化学物理问题研究所和乌拉尔联邦大学的科学家合作表明，高容量大功率电池可以由有机材料制成，而无需使用锂或其他稀有元素。此外，他们还展示了阴极材料令人印象深刻的稳定性，并在快速充电/放电钾基电池中记录了高能量密度。他们的研究结果发表在《材料化学杂志》 A，《物理化学快报》和《化学通讯》上。

锂离子电池在我们的日常生活中是必不可少的：它们被广泛地用于能量存储，尤其是在便携式电子产品中。由于电动汽车的迅速发展吸引了越来越多的投资，因此对电池的需求激增。例如，沃尔沃计划到2025年将电动汽车的份额增加到其总销量的50％，戴姆勒宣布完全放弃内燃机的计划，将重点转向电动汽车。

然而，锂离子电池的大量使用将其生产所需的资源严重短缺带到了前台。阴极中常用的过渡金属（例如钴，镍和锰）非常稀有且价格昂贵，而且有毒。虽然少数国家/地区生产的锂含量较低，但大部分国家都生产这种锂，但对于所有传统汽车而言，锂的全球供应量都太少了，无法用由锂电池供电的电动汽车代替。根据德国能源经济学研究中心（FFE）的估计，锂储量的稀缺性可能成为未来几十年的主要问题。最近，科学家建议研究其他替代品，例如钠和钾，它们的化学性质与锂相似。

由Pavel Troshin教授领导的Skoltech研究人员在开发基于有机阴极材料的钠和钾电池方面取得了重大进展。他们的研究结果在国际顶级科学期刊的三本出版物中进行了报道。

他们的第一篇论文提出了一种含有六氮杂苯并菲片段的聚合物。事实证明，这种新材料同样适用于在30至60秒内充电的锂，钠和钾电池，同时在经过数千次充放电循环后仍能保持其储能能力。“多功能性是有机材料的主要优势之一，”该论文的第一作者和Skoltech博士生Roman Kapaev解释说。“他们的氧化还原机制对反离子的性质的依赖性要小得多，这使得更容易找到锂离子电池的替代品。随着锂价的上涨，用永远不会用完的便宜的钠或钾代替锂是有意义的。至于无机材料，情况要复杂得多。”

不利之处在于，六氮杂三苯基于聚合物的阴极具有较低的工作电势（相对于K + / K电势约为1.6 V伏），这导致储能能力下降。科学家在他们的第二篇论文中提出了另一种材料，一种基于二氢吩嗪的聚合物，它没有这个缺点，可以确保电池的平均工作电压增加到3.6伏。芳香族聚合物胺可以使金属离子电池成为出色的高压有机阴极。在我们的研究中，我们首次在钾电池正极中使用了聚-N-苯基-5,10-二氢吩嗪。通过彻底优化电解质，我们获得了593 Wh / kg的比×能，这是目前所有已知的K离子电池阴极的创纪录的高值，该研究的第一作者和Skoltech博士生Philipp Obrezkov解释说。

金属离子电池（尤其是带有金属阳极的金属离子电池）中的主要问题是金属树枝状晶体，它们会进入电池中而引起短路，并经常伴有火甚至爆炸。为避免这种情况，可以用合金替代纯碱金属，这些合金在电池工作温度下呈液态。这是由2019年诺贝尔奖获得者John B.Goodenough教授最近提出的。已知低熔点钾钠合金（NaK）含有约22％重量的钠，熔点为-12.7 oC。

在他们的第三项研究中，科学家使用了一种类似的钾钠合金，该碳酸钠应用于碳纸作为阳极，而先前获得的氧化还原活性聚合物作为阴极。结果发现，此类电池可以在不到10秒的时间内充完电。有趣的是，其中一个聚合物阴极表现出最高的钾电池能量容量，而另一个阴极表现出出色的稳定性，在10,000次充电/放电循环后仅损失了11％的容量。此外，基于这两种材料的电池还显示出近100,000 W / kg的无与伦比的功率特性，这是超级电容器的典型水平。

团队负责人Pavel Troshin表示：“目前，金属离子电池和超级电容器是最常见的储能解决方案。”“前者每单位质量存储大量能量，但在多个循环后缓慢充电并很快失去容量，而后者则快速充电并承受数万次循环，但存储容量较差。我们证明，电活性有机材料可以为结合金属离子电池和超级电容器优势的新一代电化学储能设备铺平道路，从而消除了对昂贵的过渡金属化合物和锂的需求。”

参考：

Roman R. Kapaev，Ivan S.Zidkov，Ernst Z.Kurmaev，Keith J.Stevenson和Pavel A.Troshin撰写的“用于快速，稳定的锂，钠和钾离子电池的六氮杂三苯撑聚合物阴极” ，材料化学杂志A.DOI：
10.1039 / C9TA06430C

Filipp A. Obrezkov，Vahid Ramezankhani，Ivan Zhidkov，Valerii F. Traven，Ernst Z. Kurmaev，Keith J.Stevenson和Filipp A. Obrezkov，Vahid Ramezankhani，Ivan Zhidkov，Valerii F. Traven，Ernst Z. Kurmaev，Keith J. Stevenson和Pavel A.Troshin，2019年9月7日，《物理化学快报》，DOI：
10.1021 / acs.jpclett.9b02039

Roman R. Kapaev，Filipp A. Obrezkov，Keith J. Stevenson和Pavel A. Troshin于9月4日发表的“金属离子电池满足超级电容器的要求：具有有机阴极和Na / K合金阳极的高容量和高倍率可充电电池” 2019年，化学通讯.DOI：
10.1039 / C9CC05745E