Будущее без кобальта: новый органический аккумулятор может привести к революции в электромобилях

Химики Массачусетского технологического института (MIT) создали катод аккумулятора из органических материалов. Новинка может снизить зависимость производителей электромобилей от редких металлов.


Многие электромобили оснащены аккумуляторами с содержанием кобальта, но же Co в таблице Менделеева. Но у этого металла есть ряд недостатков: относительно высокая цена и сопровождающие добычу и производство экологические и социальные проблемы.

Исследователи из MIT разработали материал для аккумуляторов, который может предложить более экологичный способ питания электромобилей. Концепция нового литий-ионного аккумулятора включает катод на основе органических материалов вместо кобальта или никеля, ещё одного металла, часто служащего сырьём для литий-ионных батарей.

Исследователи из MIT показали, что придуманный ими катод можно производить с гораздо меньшими затратами, чем кобальтсодержащие аккумуляторы. При этом он может проводить электричество с той же скоростью, что и аналоги с кобальтом. Новый аккумулятор также обладает сопоставимой ёмкостью и может заряжаться быстрее, сообщили исследователи.

Старший автор проекта профессор Мирча Динкэ заявил, что новая технология сможет конкурировать с существующими и способна значительно снизить затраты и экологические проблемы, связанные с добычей сырья.

Большинство электромобилей питаются от литий-ионных аккумуляторов — батарей, которые перезаряжаются, когда ионы лития перетекают от положительно заряженного электрода, называемого катодом, к отрицательно заряженному, то есть аноду. В большинстве литий-ионных аккумуляторов катод содержит кобальт — металл, обеспечивающий высокую стабильность и плотность энергии.

Однако кобальт имеет существенные недостатки. Металл этот дефицитный, его цена может резко колебаться, и большая часть мировых месторождений кобальта расположена в политически нестабильных странах. Добыча этого металла из руды сопровождается опасными условиями труда, а токсичные отходы загрязняют землю, воздух и воду вокруг шахт.

Профессор Динкэ рассказал, что кобальтовые аккумуляторы могут накапливать много энергии и в целом удовлетворяют потребителей с точки зрения производительности. Но с учётом всех перечисленных проблем с ростом количества электротранспорта они будут, безусловно, дорожать.

Из-за проблем, связанных с кобальтом, разные учёные посвятили множество исследований попыткам выбрать альтернативное сырьё для аккумуляторов. Один из таких материалов — литий-железо-фосфат (LFP). Некоторые компании автопрома уже пытаются применять его в электромобилях. Но при всей признанной практической пользе LFP, плотность энергии при его использовании составляет лишь половину плотности, свойственной кобальтовым и никелевым аккумуляторам.

Также привлекательны органические материалы, но до сих пор большинство из них не отличались приемлемой электропроводностью, а по ёмкости аккумулятора и сроку службы они отставали от кобальтсодержащих батарей. Проблемы с проводимостью таких материалов обычно решают, смешивая их с примерно равным объёмом связующих в виде полимеров, но последние ещё больше снижают ёмкость аккумулятора.

Около шести лет назад лаборатория Динкэ начала работу над проектом, который финансировала компания Lamborghini. Исследователи стремились разработать органический аккумулятор, пригодный для электромобилей. Экспериментируя с пористыми материалами, частично органическими, а частично неорганическими, Динкэ с коллегами поняли, что создали полностью органический материал, который оказался стабильным проводником.

Новый материал состоит из множества слоёв небольшой органической молекулы бис-тетрааминобензохинона (TAQ), которая содержит три сросшихся гексагональных кольца. Слои образуют структуру, подобную графиту. Внутри молекул есть химические группы так называемых хинонов, которые становятся резервуарами для электронов. А также присутствуют амины, способствующие образованию прочных водородных связей.

Именно за счёт водородных связей материал получился очень стабильным и устойчивым в смысле растворимости. Нерастворимость имеет большое значение, поскольку предотвращает растворение материала в электролите, как это случается с рядом органических веществ для батарей, так что продлевается срок службы.

Динкэ объяснил, что зачастую органические материалы растворяются в электролите аккумулятора и перебираются на другую его сторону, фактически создавая короткое замыкание. Но если добиться максимальной нерастворимости, этого не случится. Напротив, с использованием TAQ аккумулятор выдержит более 2000 циклов зарядки и разрядки с минимальной деградацией.

Испытания нового материала показали, что проводимость и ёмкость такого аккумулятора сравнимы с аналогичными характеристиками кобальтосодержащих батарей. Более того, батареи с катодом из TAQ можно заряжать и разряжать быстрее, чем существующие аналоги, что поможет ускорить эксплуатацию электротранспорта.

Чтобы стабилизировать органический материал и повысить его способность прилипать к токоприёмнику из меди либо алюминия, учёные добавили в качестве наполнителей целлюлозу и резину. Примеси составляют менее 0,1 всего композитного материала для катода, так что снижают ёмкость лишь в незначительной степени.

Наполнители к тому же увеличивают срок службы катода, так как предотвращают его растрескивание при попадании ионов лития в катод во время зарядки.

Основные составляющие для производства катодов нового типа — предшественники хинона и амина, доступные в продаже, так как помногу выпускаются химпромом. По подсчётам разработчиков катода-новинки, финансовые затраты на органические аккумуляторы — от трети до половины стоимости кобальтовых аналогов.

В компании Lamborghini уже лицензировали патент на эту технологию. Тем временем в лаборатории Динкэ продолжают поиск альтернатив. Например, рассматривают замену лития натрием или магнием, которые дешевле и более распространены.