Исследователи разработали алюминиево-ионные аккумуляторы с увеличенной ёмкостью

Исследовательская группа профессора доктора Биргит Эссер из Ульмского университета и профессора доктора Инго Кроссинга и профессора доктора Анны Фишер из Фрайбургского университета Готье Штудер объявила о создании органического окислительно-восстановительного полимера, который можно использовать в алюминиево-ионных аккумуляторах в роли положительного электрода. Материал электрода успешно выдержал 5000 циклов заряда, сохранив 88% своей ёмкости при 10 С, знаменуя собой значительный прогресс в разработке алюминиевых аккумуляторов. Учёные считают, что алюминиевые аккумуляторы могут выступить в роли потенциального преемника современных литиевых аккумуляторов. Алюминий значительно более распространен в недрах планеты, чем литий. К тому же, его можно сравнительно безопасно и экономически эффективно перерабатывать.

Однако на данный момент развитие алюминиево-ионных аккумуляторов находится на ранних стадиях развития. Исследователи пока ещё ищут подходящие материалы для электродов, имеющих возможность обеспечить достаточную ёмкость для хранения энергии. Исследовательская группа Биргит Эссер считает, что им удалось сделать прорыв в этом направлении. Во время эксперимента алюминиевые аккумуляторы с новым материалом сохранили ёмкость на уровне 167 миллиампер-часов на грамм (мАч/г). Органический окислительно-восстановительный полимер значительно превосходит по показателям ёмкости графит, в настоящее время массово использующийся в аккумуляторах в качестве электродного материала. Результаты исследования учёные опубликовали в журнале Energy & Environmental Science.

Разработанный материал электрода содержит сложные анионы алюминия. Он окисляется во время заряда аккумулятора и поглощает сложные алюминат-анионы. В результате во время зарядки органическому окислительно-восстановительному полимеру поли(3-винил-N-метилфенотиазину) удается обратимо внедрить два аниона [AlCl4]. В качестве электролита исследователи использовали ионную жидкость хлорид этилметилимидазолия с добавлением хлорида алюминия.

Один из исследователей, Готье Штудер, отметил, что область исследования алюминиевых аккумуляторов имеет огромный потенциал для будущих систем хранения электроэнергии. По его словам, они сосредоточили внимание на разработке новых органических окислительно-восстановительных материалов. Они имеют высокие эксплуатационные характеристики и обратимые свойства. При изучении окислительно-восстановительных характеристик поли(3-винил-N-метилфенотиазина) в ионной жидкости на основе хлоралюмината им удалось совершить существенный прорыв. Он заключается в том, что учёные продемонстрировали обратимый двухэлектронный окислительно-восстановительный процесс для электродного материала на основе фенотиазина.

Сообщается, что после 5 тысяч циклов заряда и разряда при температуре 10° C аккумулятор сохранил 88 процентов от своей первоначальной ёмкости. Скорость заряда и разряда составляла в среднем 6 минут. Поли(3-винил-N-метилфенотиазин) осаждает анионы [AlCl4] — при потенциалах 0,81 и 1,65 вольт и обеспечивает удельную емкость до 167 мАч/г. Ёмкость графита, используемого в качестве электродного материала в алюминиевых аккумуляторах, составляет 120 мАч/г.  При более низкой скорости (более длительное время заряда и разряда) аккумулятор практически не теряет первоначальной ёмкости при тех же условиях тестирования.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Energy & Environmental Science. Исследование  было профинансировано Немецким исследовательским фондом (DFG), а также Федеральным фондом Германии Umwelt.