Вчені розробили алюмінієво-іонні акумулятори з покращеною ємністю

Дослідницька група створила органічний окисно-відновний полімер для використання в якості позитивного електрода в алюмінієво-іонних батареях.

Алюмінієво-іонні акумулятори постають як потенційний наступник традиційних акумуляторів, які покладаються на матеріали, які важко отримати та переробити, як-от літій. Цей зсув пояснюється великою кількістю алюмінію в земній корі, його можливістю переробки, а також його порівняльною безпекою та економічною ефективністю порівняно з літієм.

З усім тим, розвиток алюмінієво-іонних акумуляторів залишається на ранніх стадіях, оскільки дослідники все ще шукають відповідні електродні матеріали, які могли б забезпечити достатню ємність накопичувача. Нещодавно дослідницька група під керівництвом професора, доктора Біргіт Ессер з Ульмського університету та професора, доктора Інго Кроссінг і професора, доктора Анни Фішер з Фрайбурзького університету нещодавно здійснила прорив у цій галузі. Готьє Штудер. Команда розробила матеріал позитивного електрода, що складається з органічного окисно-відновного полімеру на основі фенотіазину.

В експерименті алюмінієві батареї з цим електродним матеріалом зберігали раніше недосягнуту ємність 167 мАг/г. Таким чином, органічний окислювально-відновний полімер перевершує потужність графіту, який на сьогодні здебільшого використовується як електродний матеріал в батареях. Результати опубліковані в журналі Energy & Environmental Science.

Електродний матеріал містить комплексні аніони алюмінію

Матеріал електрода окислюється під час заряджання батареї, поглинаючи таким чином складні алюмінат-аніони. Таким чином, органічний окисно-відновний полімер полі(3-вініл-N-метилфенотіазин) вдається оборотно вставити два аніони [AlCl₄] − під час заряджання. Дослідники використовували іонну рідину етилметилімідазолію хлорид як електроліт з додаванням хлориду алюмінію.

Принципова схема батареї показує окисно-відновний процес, під час якого відбувається окислення матеріалу електрода та осідання алюмінат-аніонів. Авторство: Біргіт Ессер/Університет Фрайбурга

«Дослідження алюмінієвих батарей — це захоплююче поле досліджень із великим потенціалом для майбутніх систем накопичення енергії», — каже Готьє Студер. «Наша увага зосереджена на розробці нових органічних окисно-відновних матеріалів, які демонструють високу ефективність і оборотні властивості. Вивчаючи окисно-відновні властивості полі(3-вініл-N-метилфенотіазину) в іонній рідині на основі хлоралюмінату, ми зробили значний прорив, продемонструвавши вперше оборотний двоелектронний окисно-відновний процес для електродного матеріалу на основі фенотіазину.»

Після 5000 циклів зарядки при 10 C акумулятор зберігає 88 відсотків своєї ємності

Полі(3-вініл-N-метилфенотіазин) відкладає аніони [AlCl₄] — при потенціалах 0,81 і 1,65 вольт і забезпечує питому ємність до 167 мАг/г. Навпаки, розрядна ємність графіту як електродного матеріалу в алюмінієвих батареях становить 120 мАг/г. Після 5000 циклів зарядки акумулятор, представлений дослідницькою групою, все ще має 88 відсотків своєї ємності при 10 C, тобто при швидкості заряджання та розряджання 6 хвилин. За нижчого рівня C, тобто більшого часу заряджання та розряджання, акумулятор повертається до початкової ємності без змін.

«Завдяки високій напрузі розряду та питомій ємності, а також чудовому збереженню ємності при високих значеннях C електродний матеріал є значним прогресом у розробці перезаряджуваних алюмінієвих батарей і, отже, передових і доступних рішень для накопичення енергії», — каже Біргіт Ессер. Джерело