Ученые Сколтеха и их коллеги опубликовали статью, в которой описывается органический материал для нового поколения систем хранения энергии. Авторы предложили элегантный принцип молекулярного дизайна, с помощью которого в будущем станет возможным создание материалов с еще более перспективными свойствами.
Статья с описанием результатов опубликована в журнале ACS Applied Energy Materials. Работе посвящена обложка свежего выпуска журнала.
Устройства для хранения энергии находят все более широкое применение в современном мире, что подчеркивает необходимость внедрения надежных, экономичных и экологически безопасных технологий аккумуляторов с возможностью простой утилизации и использования доступных материалов. Одно из наиболее перспективных решений этой задачи – аккумуляторы, основанные на органических материалах, обладающих большой удельной емкостью, долгим сроком службы и способностью к быстрому заряду. Однако органические катодные материалы с привлекательными свойствами, которые могут производиться в крупных масштабах, плохо исследованы и требуют дальнейшей разработки.
Для решения этой проблемы исследователи Сколтеха предложили простой редокс-активный полиимид, синтезируемый путем нагрева смеси двух доступных компонентов − ароматического диангидрида и мета-фенилендиамина. Материал показал привлекательные свойства в различных системах хранения энергии, таких как литиевые, натриевые и калиевые аккумуляторы. Он обладал высокой удельной емкостью (до ~140 мАч/г) и относительно высокими электрохимическими потенциалами, сохранял стабильность при циклировании (до 1000 циклов) и имел способность к быстрому заряду (менее чем за 1 минуту).
По показателям удельной энергоемкости и мощности материал превзошел ранее исследованный изомер – пара-фенилендиамин. С участием специалистов Института проблем химической физики РАН было показано, что улучшение свойств объясняется двумя причинами. Во-первых, новый материал имеет меньший размер частиц и заметно более высокую удельную площадь поверхности, что облегчает процесс диффузии носителей заряда. Во-вторых, пространственное расположение соседних имидных звеньев в полимере обеспечивает более энергетически выгодное взаимодействие с ионами металлов, что приводит к повышению потенциалов.
«Эта работа интересна не просто потому, что мы исследовали новый органический катодный материал», − рассказывает автор разработки, аспирант Сколтеха Роман Капаев, − «Мы предложили новый принцип молекулярного дизайна полиимидов для аккумуляторов, заключающийся в использовании ароматических молекул с аминогруппами в мета-положениях в качестве строительных блоков. Долгое время ученые уделяли мало внимания этому структурному мотиву и использовали в основном пара-фенилендиамин или аналогичные структуры. Полученные результаты позволяют лучше понять, какими на молекулярном уровне должны быть структуры поллимидов для аккумуляторов. В перспективе наши результаты могут стать основой для создания катодных материалов с улучшенными характеристиками».
*****
Сколтех – негосударственный международный университет. Созданный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (MIT), Сколтех готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит исследования в прорывных областях и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Сколтех развивает шесть приоритетов: наука о данных и искусственный интеллект, науки о жизни и здоровье, современные методы проектирования и перспективные материалы, энергоэффективность, фотоника и квантовые технологии, перспективные исследования. Усилия Сколтеха призваны способствовать укреплению технологического превосходства России в приоритетных направлениях.
