Существующие устройства для хранения энергии, в частности литий-ионные аккумуляторы, ограничены по емкости, недолговечны и относительно медленно заряжаются. Альтернативой им могут служить накопители энергии на основе органических соединений, например хинонов — молекул, способных обратимо запасать энергию за счет окислительно-восстановительных реакций (получения или отдачи электронов). Однако хиноны плохо проводят ток, и это не позволяет получить аккумуляторы с большой емкостью. Компенсировать этот недостаток можно, если соединить хиноны с проводящими полимерами в единый материал. Однако существующие методы синтеза таких сополимеров либо сложны и дороги, либо не позволяют получить продукт с оптимальными свойствами.
Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета
(Санкт-Петербург) предложили
простой и эффективный метод синтеза материала на основе гидрохинона и проводящего полимера полиэтилендиокситиофена. Подход называется прямой электрохимической сополимеризацией. Авторы сначала смешали мономеры (структурные единицы, из которых собирается полимер) — 3,4-этилендиокситиофен и гидрохинон — в органическом растворителе. Затем под действием импульсного (непостоянного) наложения электрического потенциала на электроде происходила полимеризация, в ходе которой сформировался сополимер. В полученном материале фрагменты гидрохинона оказались встроены в цепь полиэтилендиокситиофена. Такая технология обеспечила равномерное распределение хиноновых фрагментов в полимерной матрице и позволила достичь рекордного содержания гидрохинона в сополимере — до 66%.
Ячейка для синтеза материала. Источник: Олег Левин
Чтобы проверить способность материала накапливать заряд, авторы провели электрохимические испытания в кислотном растворе. Эксперимент показал, что сополимер имеет удельную емкость 85–112 миллиампер-час на каждый грамм материала. При этом материал сохранял 72% исходной емкости после 100 циклов зарядки-разрядки и 65% после 200 циклов. Эти показатели соответствуют типичным значениям для новых органических материалов на ранних этапах разработки и свидетельствуют о принципиальной возможности создания эффективных электродов на основе такого сополимера. Аккумуляторы телефонов обычно сохраняют 80% емкости спустя 300–500 циклов. Но авторы подчеркивают, что испытания сополимера проводились в лабораторных условиях без оптимизации конструкции полной батареи, поэтому потенциально характеристики материала удастся улучшить.
Авторы также определили, что в полученном сополимере процессы накопления и отдачи заряда, связанные с фрагментами гидрохинона, происходят с 99% эффективностью. Это значит, что практически весь заряд, потраченный на зарядку (окисление) материала, возвращается при его разрядке (восстановлении).
Взвесь синтезированного сополимера в растворе — промежуточный этап получения электродов для органических аккумуляторов. Источник: Олег Левин
Таким образом, предложенный метод позволяет получить перспективный для энергетики материал без необходимости сложного предварительного синтеза, что делает способ экономически привлекательным.
«Созданный материал может использоваться в водных органических батареях и тем самым снизить зависимость от дорогих и экологически вредных неорганических материалов, таких как свинец и кобальт. Это открывает перспективы для создания доступных и устойчивых решений для хранения энергии, что важно для перехода к зеленой энергетике и снижения углеродного следа. В дальнейшем мы планируем исследовать возможности применения полученного сополимера не только в новых типах водных органических аккумуляторов, но и в качестве катодного материала для усовершенствования классических свинцово-кислотных батарей. Такой подход может повысить их энергоемкость и долговечность за счет сочетания высокой проводимости полимерной матрицы и эффективного накопления заряда на фрагментах гидрохинона. Это позволит сделать традиционные аккумуляторы более экологичными и эффективными, а также расширить их применение в современных системах хранения энергии», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Олег Левин, доктор химических наук, профессор кафедры электрохимии Санкт-Петербургского государственного университета.
