Ученые, работающие над совершенствованием систем накопления энергии, активно исследуют новые технологии, способные превзойти или заменить широко распространенные литий-ионные аккумуляторы. В этом контексте калий-ионные аккумуляторы (КИА) выделяются как одна из наиболее перспективных технологий, особенно для удовлетворения растущего спроса на масштабное хранение энергии. Фундаментальное преимущество КИА заключается в природной широкодоступности калия, который значительно превосходит литий по распространенности и, следовательно, по потенциальной доступности и экономической целесообразности. Это делает калиевую химию привлекательной не только с экономической, но и с геополитической точки зрения, снижая зависимость от ограниченных ресурсов лития. Однако разработка таких аккумуляторов сталкивается с серьёзными трудностями, связанными с тем, что традиционные неорганические катодные материалы специфичны к типу интеркалирующегося катиона и хорошо работают лишь с литием. Таким образом, проблема поиска новых катодных материалов для КИА является одной из ключевых.
В ответ на эту актуальную проблему, команда исследователей, включающая специалистов из Уфимского института химии УФИЦ РАН и ФИЦ проблем химической физики и медицины РАН, направила свои усилия на изучение органических электродных материалов. Органические соединения обладают рядом уникальных преимуществ, которые делают их идеальными кандидатами для решения проблем КИА. Их ключевые достоинства – это высокая структурная гибкость, позволяющая адаптировать структуру материала под нужды конкретного иона, и возможность целенаправленного молекулярного дизайна.
В рамках данного исследования, ученые сосредоточились на применении сополимеров анилина и его функционализированных производных в качестве катодных материалов для калиевых аккумуляторов. Были синтезированы три новых замещенных производных полианилина. Впервые было проведено систематическое исследование электрохимических характеристик этих соединений при их использовании в качестве катодов в калиевых батареях. Полученные результаты продемонстрировали значительное влияние молекулярной инженерии на электрохимические свойства материалов. Даже незначительное введение заместителей, такое как низкая степень замещения (10 мол.%), оказывало существенное влияние на производительность катода. Среди протестированных кандидатов, фторсодержащее производное полианилина показало выдающиеся результаты. Этот материал продемонстрировал высокую удельную емкость, составившую 210 мА·ч/г, а также одну из рекордных для полианилиновых катодов в калиевых аккумуляторах плотностей энергии – 677 Вт·ч/кг.
Это исследование наглядно подчеркивает, что стратегическое введение электроноакцепторных заместителей, таких как фтор, в структуру полианилина является высокоэффективной стратегией для значительного улучшения его электрохимических свойств. Полученные результаты открывают новые перспективы для разработки высокопроизводительных катодных материалов для калий-ионных аккумуляторов.
В исследовании принимали участие научные сотрудники УфИХ УФИЦ РАН: Латыпова Л.Р., Усманова Г.С., Гордеев Д.Н., Мустафин А.Г.
С участием:
– Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицины РАН
– Физико-технологического института Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
– Чжэнчжоуский исследовательский институт Харбинского политехнического университета (HIT), Китай
L.R. Latypova, Y.I. Baluda, G.S. Usmanova, N.N. Dremova, I.S. Zhidkov, M.V. Zhidkov D.N. Gordeev, T.A. Savinykh, P.A. Troshin, O.A. Kraevaya, A.G. Mustafin, S.M. Aldoshin. Beyond conventional polyaniline: a material design strategy for promising K-ion battery cathodes // Journal of Power Sources (Q1, IF:7.9)
