W nowym raporcie naukowcy z Skoltech i ich koledzy opisują materiał organiczny dla nowej generacji urządzeń do magazynowania energii, którego struktura oparta jest na eleganckiej zasadzie projektowania molekularnego. Niedawno została opublikowana w czasopiśmie ACS Applied Energy Materials i trafiła na okładkę wydania.
W miarę jak współczesny świat coraz bardziej polega na urządzeniach do magazynowania energii, wdrażanie zrównoważonych technologii akumulatorowych staje się coraz ważniejsze. Technologie te są bardziej ekologiczne, łatwiejsze do recyklingu, wykorzystują tylko ograniczoną liczbę elementów i są tańsze. Organiczne akumulatory są pożądanymi kandydatami do takich celów. Jednak organiczne materiały katodowe, które mogą przechowywać dużo energii na jednostkę masy, szybko się ładować, mają wysoką trwałość i mogą być łatwo produkowane na dużą skalę, wciąż są niewystarczająco rozwinięte.
Aby rozwiązać ten problem, naukowcy z Skoltech zaproponowali prosty materiał o aktywności oksydacyjnej — poliimid. Zsyntetyzowano go przez podgrzewanie mieszanki aromatycznego dianhydrydu i meta-fenylenodiaminy — obu łatwo dostępnych reagentów. Materiał wykazał obiecujący potencjał w różnych typach urządzeń do magazynowania energii, takich jak akumulatory litowo-jonowe, sodowe i potasowe. Posiada wysoką pojemność jednostkową (do ~140 mAh/g), stosunkowo wysokie potencjały redoks, dobrą stabilność przy cyklicznych obciążeniach (do 1000 cykli) oraz zdolność do szybkiego ładowania (<1 min).
Energia i moc wyjściowa nowego materiału były lepsze w porównaniu do jego wcześniej znanego izomeru, uzyskanego z para-fenylenodiaminy. Przy pomocy współpracowników z Instytutu Problemów Chemicznej Fizyk RAN wykazano, że istnieją dwie główne przyczyny lepszej wydajności nowego poliimidu. Po pierwsze, miał on mniejsze cząstki i znacznie większą powierzchnię właściwą, co ułatwiało dyfuzję nośników ładunku. Po drugie, przestrzenne rozmieszczenie sąsiednich jednostek imidowych w polimerze zapewniało bardziej energetycznie korzystne wiązanie jonów metali, co zwiększało potencjały redoks.
„Ta praca jest interesująca nie tylko dlatego, że zbadano nowy materiał katodowy organiczny,” mówi Roman Kapaev, doktorant Skoltech, który opracował to badanie, „ale proponujemy nową zasadę projektowania molekularnego poliimidów do akumulatorów, polegającą na wykorzystaniu aromatycznych cząsteczek z grupami aminowymi w pozycjach meta jako elementów konstrukcyjnych. Przez długi czas naukowcy zwracali małą uwagę na ten motyw strukturalny, zastępując go para-fenylenodiaminą lub podobnymi strukturami. Nasze wyniki dają użyteczne zrozumienie, jak poliimidy do akumulatorów powinny być projektowane na poziomie molekularnym, co może prowadzić do uzyskania materiałów katodowych o jeszcze lepszych właściwościach.”