鋰離子電池的需求量激增但是鋰儲量有限，因此科學(xué)家們正在尋找鋰技術(shù)的替代品。來自Skoltech，D。Mendeleev大學(xué)的俄羅斯研究人員以及RAS化學(xué)物理問題研究所已經(jīng)合成并測試了用于鋰雙離子電池的新型聚合物基正極材料。測試表明，新陰極可承受25,000個(gè)工作周期，并在幾秒鐘內(nèi)充電，因此性能優(yōu)于鋰離子電池，陰極也可用于生產(chǎn)較便宜的鉀雙離子電池。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《能源技術(shù)》雜志上（“基于雙氫吩嗪的共聚物作為有希望的雙離子電池正極材料”）。

全世界的用電量每年都在增長，對能量存儲解決方案的需求也在增長，因?yàn)樵S多設(shè)備通常以自主模式運(yùn)行。鋰離子電池可以產(chǎn)生巨大的功率，同時(shí)表現(xiàn)出相當(dāng)高的放電和充電率以及每單位質(zhì)量的存儲容量，使其成為電子，電力運(yùn)輸和全球電網(wǎng)中流行的存儲設(shè)備。例如，澳大利亞正在啟動(dòng)一系列大型鋰離子電池存儲項(xiàng)目，以管理多余的太陽能和風(fēng)能。

如果鋰離子電池的產(chǎn)量繼續(xù)增長，世界鋰儲量可能遲早會(huì)用完。隨著剛果生產(chǎn)60％的鋰離子電池正極鈷，鈷價(jià)格可能會(huì)飆升。鋰也是如此，因?yàn)殇囬_采的用水量對環(huán)境構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。因此，研究人員正在尋找新的儲能設(shè)備，該設(shè)備依賴于更多易用的材料，同時(shí)使用與鋰離子電池相同的工作原理。

該團(tuán)隊(duì)使用了一種有前途的后鋰雙離子技術(shù)，該技術(shù)基于涉及電解質(zhì)陰離子和陽離子的電化學(xué)過程，從而實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池充電速率的全面提高。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，陰極原型是由多種有機(jī)化合物合成的聚合芳香胺制成的。

“我們以前的研究針對的是可在幾秒鐘內(nèi)完成充電和放電的超快速大容量電池的聚合物陰極，但我們需要更多，”Skoltech博士FilippA.Obrezkov說。學(xué)生和論文的第一作者。“我們使用了多種選擇，包括線性聚合物，其中每個(gè)單體單元僅與兩個(gè)相鄰單元鍵合。在這項(xiàng)研究中，我們繼續(xù)研究新的支化聚合物，其中每個(gè)單元與至少三個(gè)其他單元鍵合。它們一起形成大的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而確保電極過程的動(dòng)力學(xué)更快。用這些材料制成的電極顯示出更高的充電和放電速率。”

標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池充滿了含鋰的電解質(zhì)，并通過隔板分為陽極和陰極。在充電電池中，大多數(shù)鋰原子都結(jié)合在陽極的晶體結(jié)構(gòu)中。隨著電池放電，鋰原子通過隔板從陽極移動(dòng)到陰極。俄羅斯團(tuán)隊(duì)研究了雙離子電池，其中的電化學(xué)過程涉及電解質(zhì)的陽離子（即鋰陽離子）和分別進(jìn)入和脫離陽極和陰極材料結(jié)構(gòu)的陰離子。

另一個(gè)新穎的特征是，在一些實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們使用鉀電解質(zhì)而不是昂貴的鋰電解質(zhì)來獲得鉀雙離子電池。

該小組合成了二氫吩嗪與二苯胺（PDPAPZ）和吩噻嗪（PPTZPZ）的兩種新型共聚物，它們用于生產(chǎn)陰極。作為陽極，他們使用了金屬鋰和鉀。由于陰極驅(qū)動(dòng)了這些稱為半電池的電池原型的關(guān)鍵特征，因此科學(xué)家們將它們組裝起來，以快速評估新型陰極材料的性能。

盡管PPTZPZ半電池表現(xiàn)出平均性能，但PDPAPZ卻效率更高：帶有PDPAPZ的鋰半電池充電和放電相當(dāng)快，同時(shí)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，即使在25,000個(gè)工作循環(huán)后仍能保持其容量的三分之一。如果普通電話電池保持穩(wěn)定，則可以每天充電和放電70年。PDPAPZ鉀半電池表現(xiàn)出398Wh/kg的高能量密度。為了比較，普通鋰電池的值為200-250Wh/kg，包括陽極和電解質(zhì)的重量。因此，俄羅斯團(tuán)隊(duì)證明了聚合物陰極材料可以制造出高效的鋰和鉀雙離子電池。