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，因為許多設(shè)備通常以自主模式運行。鋰離子電池可以產(chǎn)生巨大的功率，同時表現(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，澳大利亞正在啟動一系列大型鋰離子電池存儲項目，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用完。隨著剛果生產(chǎn)60％的鋰離子電池正極鈷，鈷價格可能會飆升。鋰也是如此，因為鋰開采的用水量對環(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，同時使用與鋰離子電池相同的工作原理。

該團隊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，從而實現(xiàn)了鋰離子電池充電速率的全面提高。另一個優(yōu)點是，陰極原型是由多種有機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，其中每個單體單元僅與兩個相鄰單元鍵合。在這項研究中，我們繼續(xù)研究新的支化聚合物，其中每個單元與至少三個其他單元鍵合。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。”

標準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到陰極。俄羅斯團隊研究了雙離子電池，其中的電化學(xué)過程涉及電解質(zhì)的陽離子（即鋰陽離子）和分別進入和脫離陽極和陰極材料結(jié)構(gòu)的陰離子。

另一個新穎的特征是，在一些實驗中，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，同時表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，即使在25,000個工作循環(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，俄羅斯團隊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。