В новой отчётной работе ученых Сколтех и их коллег описан органический материал для нового поколения устройств накопления энергии, структура которого основана на элегантном принципе молекулярного дизайна. Недавно она была опубликована в журнале ACS Applied Energy Materials и попала на обложку издания.
В то время как современный мир всё больше зависит от устройств накопления энергии, всё более важным становится внедрение устойчивых аккумуляторных технологий, которые являются более экологичными, простыми в утилизации, используют лишь ограниченное количество элементов и дешевы. Желаемыми кандидатами для таких целей являются органические аккумуляторы. Однако органические катодные материалы, которые способны накапливать много энергии на единицу массы, быстро заряжаться, обладают высокой долговечностью и могут быть легко изготовлены в больших масштабах, пока остаются недостаточно развитыми.
Для решения этой проблемы исследователи Сколтех предложили простой окислительно-активный полиимид. Его синтезировали путём нагревания смеси ароматического диангидрида и мета-фенилендиамина — обоих легко доступных реагентов. Материал продемонстрировал перспективные возможности в различных типах накопителей энергии, таких как литиевые, натриевые и калиевые аккумуляторы. Он имеет высокие удельные ёмкости (до ~140 мА·ч/г), относительно высокие окислительно-восстановительные потенциалы, хорошую стабильность при цикличных нагрузках (до 1000 циклов) и способность к быстрой зарядке (<1 мин).
Энергия и выходная мощность нового материала были лучше по сравнению с его ранее известным изомером, полученным из пара-фенилендиамина. С помощью сотрудников Института проблем химической физики РАН было показано, что существуют две основные причины лучшей производительности нового полиимида. Во-первых, он имел меньшие частицы и значительно большую удельную поверхность, что позволяло легче диффундировать носителям заряда. Во-вторых, пространственное расположение соседних имидных единиц в полимере обеспечивало более энергетически выгодное связывание ионов металлов, что увеличивало окислительно-восстановительные потенциалы.
«Эта работа интересна не только тем, что был исследован новый органический катодный материал, – говорит Роман Капаев, аспирант Сколтех, который разработал это исследование, – мы предлагаем новый принцип молекулярного дизайна полиимидов для аккумуляторов, который заключается в использовании ароматических молекул с аминогруппами в мета-позициях в качестве строительных блоков. Долгое время учёные мало внимания уделяли этому структурному мотиву, заменяя его пара-фенилендиамином или подобными структурами. Наши результаты дают полезное понимание того, как полиимида для аккумуляторов должны быть разработаны на молекулярном уровне, что может привести к получению катодных материалов с ещё лучшими характеристиками».