Органическая протонная батарея гораздо выносливее литий-ионной

Новая разработка шведских исследователей из Уппсальского университета была опубликована в научном журнале Angewandte Chemie. Органический протонный аккумулятор не только выносливее традиционного литий-ионного — авторы исследования смогли продемонстрировать, что их разработку можно легко заряжать с помощью солнечных батарей и на нее не влияет температура окружающей среды.

Современные аккумуляторы наподобие литий-ионных батарей негативно влияют на экологию — в частности, это происходит из-за металлов, которые в них используются. А в связи с постоянно растущей потребностью во аккумуляции электрической энергии начались исследования в области использования органических веществ в качестве активного материала в батареях. Ранее уже создавались прототипы протонных органических аккумуляторов. Например, материал органического электрода может быть либо полимерным для предотвращения растворения в электролите либо состоять из отдельных молекул с очень низкой растворимостью в выбранном электролите.

Новая протонная органическая батарея на основе хинонов показывает стабильную выносливость по сравнению с литий-ионными аккумуляторами

Подавляющее большинство этих концепций требует значительного количества проводящих добавок, как правило, различных форм углерода, поскольку большинство органических материалов являются изоляторами. Следовательно, несмотря на то, что теоретически удельная емкость этих материалов батареи может быть высокой, эффективная их емкость значительно ниже. Кроме того, часто требуется полимерное связующее для обеспечения хорошей адгезии и когезии материала. А эти нерастворимые добавки усложняют обработку раствора электродного материала, необходимую для таких методов сборки, как распыление, трафаретная печать, струйная печать и др.

Шведские ученые из университета Уппсала в качестве основного активного материала выбрали хиноны — популярные в природе органические соединения углерода. Ученым была интересна одна особенность хинонов — свойство поглощать и испускать ионы водорода в процессе, соответственно, зарядки и разрядки. Ионы водорода, в свою очередь, содержат исключительно протоны.

Схематическое представление концепции полностью органического аккумулятора. Изображение: Angewandte Chemie International Edition (2020)

«Отправной точкой для нашего исследования была разработка батареи, изготовленной из элементов, которые обычно встречаются в природе, и которые могут быть использованы для создания органических материалов батареи», — объясняет Кристиан Страйцель (Christian Strietzel), один из авторов разработки.

В качестве электролита исследователи использовали кислый водный раствор — он помогал транспортировать ионы внутри батареи. При этом раствор полностью безопасен для человека, не может взорваться, воспламениться и не причинит никакого вреда природе.

«Общеизвестный факт, что производительность стандартных батарей падает при низких температурах. Мы же продемонстрировали, что созданная нами органическая протонная батарея сохраняет емкость при температуре воздуха вплоть до -24 °C», — рассказал Кристиан Страйцель.

Исследователям предстоит еще доработать протонную батарею, прежде чем она она войдет в обиход и появится на рынке электроники, однако эта работа — серьезный шаг к возможности производства экологически безопасных органических батарей в будущем.