Химики СПбГУ разработали электродную установку, которая поможет в изготовлении органических батарей

Ученые Санкт-Петербургского университета в составе международной группы исследователей разработали электродную установку, которая поможет лучше изучить свойства различных материалов и в перспективе позволит создать органические батареи — безопасные аналоги литий-ионных аккумуляторов.

Электрохимическая ячейка
Электрохимическая ячейка

Результаты работы, поддержанной грантом РНФ, были опубликованы в научном журнале Energy & Environmental Science.

Сегодня традиционные литиевые аккумуляторы используются повсеместно: в компьютерах, сотовых телефонах, фотоаппаратах и другой технике. Однако при производстве таких аккумуляторов используются тяжелые металлы, например никель и кобальт, которые при утилизации техники попадают в почву и грунтовые воды, загрязняя окружающую среду. Кроме того, металлы могут накапливаться в организме и приводить к интоксикации. Вместе с тем ресурсы для изготовления литиевых аккумуляторов ограничены, и с каждым годом рудные месторождения по всему миру истощаются.

Международная команда ученых, в состав которой вошли химики научной группы «Органические электродные материалы для химических источников тока» СПбГУ, разработала электродную установку, на которой с помощью электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) исследовали различные полимеры. Метод ЭПР позволяет определить наличие радикалов и протекающих окислительно-восстановительных реакций в структуре активного электрода, проанализировать его свойства и разработать стратегии для увеличения эффективности его работы. Это позволяет подобрать вещества, наиболее подходящие для создания органических батарей, превосходящих литий-ионные технологии по эффективности. Кроме того, метод дает возможность выявлять изменения в пленке и обнаруживать неактивные центры, наличие которых снижает эффективность работы аккумулятора.

Установка для снятия спектров ЭПР
Установка для снятия спектров ЭПР

На базе научной лаборатории Berlin Joint EPR lab химики провели эксперименты на пленке p-DiTS — она достаточно стабильна из-за фрагментов гетероциклического радикала TEMPO (2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-ил)оксил), но теряет свою активность после 36 циклов окислительно-восстановительных реакций. Это связано с тем, что на пленке формируются области из электрохимически неактивных частиц, что приводит к ухудшению проводимости.

Разработанная электродная установка позволяет нам провести исследование и понять, как на пленке образуются такие «пустые» области. Это даст возможность химически изменять структуру полимера, чтобы в итоге получить материал с высокой емкостью и стабильностью.

Руководитель проекта, профессор кафедры электрохимии СПбГУ Олег Левин

В качестве возможных материалов могут выступать проводящие полимеры, содержащие нитроксильные радикалы. Они работают на окислительно-восстановительных реакциях: при разрядке радикал окисляется до положительного катиона, а при зарядке восстанавливается обратно, что позволяет увеличить энергоэффективность аккумулятора. Сейчас уже разработаны прототипы аккумуляторов на основе нитроксильных радикалов, которые могут заряжаться за считаные секунды, однако их энергия пока в два раза меньше, чем у литий-ионных систем.

«В настоящее время разработка способов эффективного и безопасного хранения электроэнергии очень актуальна. Результаты нашей работы помогут приблизить широкое производство органических аккумуляторов, которые не содержат тяжелых металлов. Они будут достаточно эффективными в работе, безопасными в использовании и простыми в утилизации вместе с бытовыми отходами», — рассказал Олег Левин.