I ricercatori Skoltech in collaborazione con scienziati dell'Istituto per i problemi di fisica chimica della RAS e dell'Università federale degli Urali hanno dimostrato che l'alta capacità, le batterie ad alta potenza possono essere realizzate con materiali organici senza litio o altri elementi rari. Inoltre, hanno dimostrato l'impressionante stabilità dei materiali catodici e registrato un'elevata densità di energia nelle batterie a base di potassio a carica/scarica rapida. I risultati dei loro studi sono stati pubblicati nel Journal of Materials Chemistry A , il Journal of Physical Chemistry Letters e Comunicazioni chimiche .

Le batterie agli ioni di litio sono ampiamente utilizzate per lo stoccaggio di energia, in particolare nell'elettronica portatile. La domanda di batterie è in aumento a causa del rapido avanzamento dei veicoli elettrici con elevati requisiti di litio. Per esempio, Volvo intende aumentare la quota di veicoli elettrici al 50 percento delle sue vendite complessive entro il 2025, e Daimler ha annunciato i suoi piani per rinunciare del tutto ai motori a combustione interna, spostando l'accento sui veicoli elettrici.

Però, l'uso massiccio di batterie agli ioni di litio aggrava la grave carenza di risorse necessarie per la loro produzione. Metalli di transizione comunemente usati nei catodi, come il cobalto, nichel e manganese, sono abbastanza rari, costoso e tossico. Mentre la maggior parte del litio meno comune è prodotta da una manciata di paesi, la fornitura globale di litio è troppo scarsa per sostituire tutte le automobili convenzionali con veicoli elettrici alimentati da batterie al litio. Come stimato dal Centro di ricerca tedesco per l'economia energetica (FFE), la scarsità di riserve di litio potrebbe diventare un grosso problema nei prossimi decenni. Recentemente, gli scienziati hanno suggerito di esaminare alternative come sodio e potassio, che sono simili al litio nelle proprietà chimiche.

I ricercatori di Skoltech guidati dal professor Pavel Troshin hanno compiuto progressi significativi nello sviluppo di batterie al sodio e al potassio basate su materiali catodici organici. I risultati della loro ricerca sono stati riportati in tre pubblicazioni nelle principali riviste scientifiche internazionali.

Il loro primo articolo presenta un polimero che contiene frammenti di esaazatrifenilene. Il nuovo materiale si è dimostrato ugualmente adatto al litio, batterie al sodio e al potassio che si caricano in 30-60 secondi mantenendo la loro capacità di accumulo di energia dopo migliaia di cicli di carica-scarica. "La versatilità è uno dei vantaggi chiave dei materiali organici, " spiega il primo autore dell'articolo e studente di dottorato di Skoltech Roman Kapaev. "I loro meccanismi redox sono molto meno specifici per la natura del controione, che rende più facile trovare un'alternativa alle batterie agli ioni di litio. Con l'aumento dei prezzi del litio, ha senso sostituirlo con il sodio o il potassio più economici che non si esauriranno mai. Per quanto riguarda i materiali inorganici, le cose sono molto più complicate".

Lo svantaggio è che i catodi polimerici a base di esaazatrifenilene hanno un potenziale operativo basso (circa 1,6 V volt rispetto al potenziale K+/K), che si traduce in una diminuzione della capacità di accumulo di energia. Nel loro secondo documento, gli scienziati hanno proposto un altro materiale, un polimero a base di diidrofenazina che non presenta questo inconveniente e garantisce un aumento della tensione media di esercizio della batteria fino a 3,6 Volt.

"Le ammine polimeriche aromatiche possono produrre eccellenti catodi organici ad alta tensione per batterie agli ioni metallici. Nel nostro studio, abbiamo usato poli-N-fenil-5, 10-diidrofenazina nel catodo della batteria di potassio per la prima volta. Ottimizzando a fondo l'elettrolita, abbiamo ottenuto un'energia specifica di 593 Wh/kg, un valore record per tutti i catodi delle batterie agli ioni K attualmente conosciuti, " spiega il primo autore dello studio e studente di Ph.D. Skoltech Philipp Obrezkov.

Un grosso problema nelle batterie agli ioni di metallo, soprattutto quelli con un anodo metallico, è la crescita di dendriti metallici nella cellula, che causano cortocircuiti, spesso accompagnati da incendi e persino esplosioni. La sostituzione dei metalli alcalini puri con le loro leghe in forma liquida alla temperatura di esercizio della batteria può prevenire tali incidenti. Questo è stato recentemente proposto dal professor John B. Goodenough, premio Nobel nel 2019.

È noto che la lega di potassio e sodio a basso punto di fusione (NaK) contiene circa il 22 percento di sodio in peso e ha un punto di fusione di -12,7 gradi Celsius.

Nel loro terzo studio, gli scienziati hanno usato come anodo una simile lega potassio-sodio applicata su carta carbone e come catodi i polimeri redox-attivi ottenuti in precedenza. Tali batterie possono essere caricate-scaricate in meno di 10 secondi. interessante, uno dei catodi polimerici ha mostrato la più alta capacità energetica per le batterie al potassio, mentre l'altro ha mostrato un'ottima stabilità, con solo l'11% di capacità persa dopo il 10, 000 cicli di carica/scarica. Anche, le batterie basate su questi due materiali hanno mostrato caratteristiche di potenza senza rivali di quasi 100, 000 W/kg, un livello tipico dei supercondensatori.

"Attualmente, le batterie agli ioni metallici e i supercondensatori sono le soluzioni di accumulo di energia più comuni, " afferma il capo squadra Pavel Troshin. "I primi immagazzinano molta energia per unità di massa, ma carica lentamente e perde capacità piuttosto rapidamente dopo un certo numero di cicli, considerando che questi ultimi si caricano velocemente e resistono a decine di migliaia di cicli, ma hanno una scarsa capacità di archiviazione. Abbiamo dimostrato che i materiali organici elettroattivi possono aprire la strada a una nuova generazione di dispositivi di accumulo di energia elettrochimica che combinano i vantaggi delle batterie agli ioni metallici e dei supercondensatori, eliminando così la necessità di costosi composti di metalli di transizione e litio".