Ученые разработали алюминий

Jul 08, 2023

Автор: Фрайбургский университет, 17 августа 2023 г.

Исследователи разработали материал положительного электрода для алюминиево-ионных аккумуляторов, используя органический окислительно-восстановительный полимер, который показал более высокую емкость, чем графит. Материал электрода успешно выдержал 5000 циклов зарядки, сохранив 88% своей емкости при температуре 10°C, что означает значительный прогресс в разработке алюминиевых батарей.

Алюминиевые батареи становятся потенциальным преемником традиционных батарей, которые основаны на труднодоступных и трудно поддающихся вторичной переработке материалах, таких как литий. Этот сдвиг объясняется обилием алюминия в земной коре, его возможностью вторичной переработки, а также его сравнительной безопасностью и экономической эффективностью по сравнению с литием.

Тем не менее, развитие алюминиево-ионных батарей остается на ранних стадиях, поскольку исследователи все еще ищут подходящие материалы для электродов, которые могут обеспечить достаточную емкость хранения. Прорыв в этой области недавно был сделан исследовательской группой под руководством профессора доктора Биргит Эссер из Ульмского университета и профессора доктора Инго Кроссинга и профессора доктора Анны Фишер из Фрайбургского университета. Готье Штудер. Команда разработала материал положительного электрода, состоящий из органического окислительно-восстановительного полимера на основе фенотиазина.

В ходе эксперимента алюминиевые батареи с этим материалом электродов сохранили ранее недостижимую емкость — 167 миллиампер-часов на грамм (мАч/г). Таким образом, органический окислительно-восстановительный полимер превосходит по емкости графит, который до сих пор в основном использовался в качестве электродного материала в батареях. Результаты появились в журнале Energy & Environmental Science.

Материал электрода окисляется во время зарядки аккумулятора, поглощая тем самым сложные алюминат-анионы. Таким образом, органическому окислительно-восстановительному полимеру поли(3-винил-N-метилфенотиазину) удается обратимо внедрить два аниона [AlCl4]- во время зарядки. Исследователи использовали ионную жидкость хлорид этилметилимидазолия в качестве электролита с добавлением хлорида алюминия.

На принципиальной схеме батареи показан окислительно-восстановительный процесс, при котором материал электрода окисляется и откладываются алюминат-анионы. Фото: Биргит Эссер / Университет Фрайбурга.

«Изучение алюминиевых батарей — интересная область исследований с огромным потенциалом для будущих систем хранения энергии», — говорит Готье Штудер. «Наше внимание сосредоточено на разработке новых органических окислительно-восстановительных материалов, которые обладают высокими эксплуатационными характеристиками и обратимыми свойствами. Изучая окислительно-восстановительные свойства поли(3-винил-N-метилфенотиазина) в ионной жидкости на основе хлоралюмината, мы совершили значительный прорыв, впервые продемонстрировав обратимый двухэлектронный окислительно-восстановительный процесс для электродного материала на основе фенотиазина. »

Поли(3-винил-N-метилфенотиазин) осаждает анионы [AlCl4]- при потенциалах 0,81 и 1,65 вольт и обеспечивает удельную емкость до 167 мАч/г. Напротив, разрядная емкость графита в качестве электродного материала в алюминиевых батареях составляет 120 мАч/г. После 5000 циклов зарядки аккумулятор, представленный исследовательской группой, по-прежнему сохраняет 88 процентов своей емкости при температуре 10 C, то есть при скорости зарядки и разрядки 6 минут. При более низкой скорости C, т. е. при более длительном времени зарядки и разрядки, аккумулятор возвращается к своей первоначальной емкости без изменений.

«Благодаря высокому разрядному напряжению и удельной емкости, а также отличному сохранению емкости при высоких скоростях C, этот материал электрода представляет собой крупный прогресс в разработке перезаряжаемых алюминиевых батарей и, следовательно, передовых и доступных решений для хранения энергии», — говорит Биргит Эссер. .

Ссылка: «Об алюминиевой батарее большой емкости с двухэлектронным окислительно-восстановительным полимером фенотиазина в качестве положительного электрода», Готье Штудер, Алексей Шмидт, Ян Бюттнер, Максимилиан Шмидт, Анна Фишер, Инго Кроссинг и Биргит Эссер, 22 мая 2023 г., Энергетика и экология.DOI: 10.1039/D3EE00235G.

Проект финансировался Немецким исследовательским фондом (DFG) (проект AMPERE в рамках SPP 2248 – Аккумуляторы на основе полимеров, POLiS – EXC 2154, livMatS – EXC 2193), а также Немецким федеральным фондом Umwelt, bwForCluster JUSTUS 2, Eva. Фонд Майра-Штиля (Saltus!) и Земля Баден-Вюртемберг (bwHCP).