Нова батерия се зарежда 10 пъти по-бързо

Новата батерия е разработка на учени от Държавния университет в Санкт Петербург
(снимка: СПбГУ)

Руски химици разработиха нов тип батерии, които могат да се зареждат десет пъти по-бързо от литиево-йонните и също така са по-безопасни по отношение на вероятността от взривяване и пожар.

За основа на новата батерия учените от държавния университет в Санкт Петербург начело с проф. Олег Левин възнамеряват да използват редокс-активни нитроксилсъдържащи полимери. Те се характеризират с висока енергийна плътност (количество енергия на единица обем) и скорост на зареждане и разреждане в резултат на редокс (редукционно-окислителни) реакции, съобщи GreenTech.bg.

Използването на подобни полимери в момента е затруднено от недостатъчната им електрическа проводимост – те предотвратяват натрупването на заряд дори при наличие на добавки с висока проводимост като въглен.

За да разрешат този проблем, руските учени синтезирали полимер на базата на никел-саленов (NiSalen) комплекс. Молекулите на този полимер действат като молекулярна жица, към която са прикрепени енергоемки нитроксилни фрагменти. Тази молекулярна архитектура на материала позволява да се постигнат едновременно характеристики като висока мощност, капацитет и ниска работна температура.

„Разработихме концепцията за този материал през 2016 г. По това време започнахме да работим по фундаменталния проект „Електродни материали за литиево-йонни батерии на основата на органометални полимери”, подкрепен с безвъзмездна помощ от Руската научна фондация. Когато изследвахме механизма на пренос на заряд в този клас съединения, се оказа, че те имат две направления на развитие. Първият е, че могат да се използват като защитни слоеве заедно с традиционните материали за литиево-йонни батерии. И второто – те самите могат да се превърнат в активен компонент на електрически материали за съхранение”, казва Левин.

Разработването на полимера е отнело повече от три години. През първата година учените тествали концепцията за новия материал: те смесили отделните компоненти, моделиращи проводимата верига, и редокс-активните нитроксил-съдържащи полимери. За тях било важно да се уверят, че всички части на конструкцията работят добре заедно и се подсилват взаимно.

След това започнал етапът на синтез на веществото. Това е най-трудното при създаването на нов материал. Факт е, че той включва чувствителни компоненти, които лесно могат да се разрушат с най-малката грешка на учения.

От няколкото получени полимера само един се оказал стабилен и работещ. Основната верига на новия материал се формира от никелови комплекси с лиганди, които се наричат „сален”. Той се свързва чрез ковалентни връзки към стабилен свободен радикал, който има способността бързо да се окислява и редуцира (зарежда и разрежда).

„Батерията, създадена с помощта на нашия материал, ще се зарежда за секунди – около десет пъти по-бързо от литиево-йонната. Вече изяснихме това в резултат на експерименти. На този етап обаче тя изостава с 30-40% по отношение на капацитета. Сега работим за увеличаване на тази цифра, като същевременно поддържаме скоростта на зареждане-разреждане”, казва Левин.

Вече е създаден катод за новата батерия – положителен електрод на химически източник на ток. Той се нуждае от отрицателен електрод – анод. Въпросният обаче не е нужно да се създава от нулата – може да бъде избран някой от съществуващите варианти. Заедно, устройствата образуват система, която в някои области може скоро да измести литиево-йонните батерии.

„Новата батерия е в състояние да се докаже перфектно в ситуации, когато се нуждаете от много бързо зареждане или по време на работа при ниски температури. Използването ѝ е абсолютно безопасно – в нея няма нищо, което може да се запали или експлодира, за разлика от широко разпространените днес батерии на основата на кобалт. Съдържа и десетки пъти по-малко метали, които могат да причинят вреда на околната среда. Никелът присъства в малки количества в нашия полимер, но е в пъти по-малко, отколкото в литиево-йонните батерии”, пояснява Олег Левин.

Сега учените кандидатстват за патент за своето изобретение. Неговият законен собственик ще бъде Държавният университет в Санкт Петербург. Подробности за разработката са публикувани в сп Batteries & Supercaps.