Результаты новых исследований показали, что химическая структура органических радикальных полимеров позволяет создавать на их основе эффективные аккумуляторы, не содержащие металла.
Главным препятствием на пути изготовлении накопителей энергии, не содержащих металла, является нахождение необходимого материала, который обладает достаточной электрохимической активностью, то есть он должен быть способен хранить и обмениваться электронами. Химики из Техасского университета A&M считают, что решением могут стать органические радикальные полимеры, которые очень стабильны и реакционноспособны.
Этот класс материалов имеет один неспаренный электрон на радикальной группе, обеспечивающий быструю передачу заряда в процессе окислительно-восстановительных реакций. Хотя об этом было известно и ранее, но до недавнего исследования отсутствовало точное описание механизма, посредством которого электроны и ионы проходят через полимер. Проведенные анализы изучаемых образцов выявили несколько неожиданных результатов.
Ранее считалось, что при зарядке-разрядке полимера участвуют только анионы, но исследование показало, что при этом процессе положительно заряженные ионы также могут принимать участие. Кроме того, было установлено, что поведение и перемещение ионов в большей степени зависят от электролита, чем от самого полимера. Более глубокое понимание процессов, лежащих в основе, позволяет ученым более детально изучить их взаимодействие.
Сбор достоверных данных о механизмах окислительно-восстановительных реакций частично был затруднен масштабом и скоростью их течения. Поэтому, чтобы провести невероятно точные измерения, ученые использовали метод электрохимической кварцевой микрогравиметрии (EQCM-D). Фактически они определяли массу входящих и исходящих ионов.
По словам исследователей, основная привлекательность этого класса полимеров заключается в скорости реакции. Аккумуляторы на их основе смогут заряжаться и разряжаться быстрее, чем используемые сейчас накопители. В перспективе это может оказать огромное влияние на электромобили и электротехнику.
Японские ученые также занимаются поиском альтернатив лития. После изучения 4300 соединений с натрием, имеющих кристаллическую структуру, они нашли нужный вариант, отвечающий заявленным требованиям.
текст: Илья Бауэр, фото: Getty Images