Исследователи из KAUST показывают, что перезаряжаемые батареи, в которых в качестве носителей заряда используются катионы аммония, могут стать экологически безопасными и устойчивыми заменителями батарей на основе ионов металлов.

Металло-ионные аккумуляторы, такие как литий-ионные аккумуляторы, являются идеальным решением для хранения энергии. Они доминируют на рынке портативной бытовой электроники и электромобилей благодаря своей высокой плотности энергии и универсальности. Однако ионы металлов, используемые в электролитах, поступают из ограниченных и сокращающихся ресурсов, что угрожает долгосрочной доступности. Их токсичность и воспламеняемость могут быть небезопасными и вредными для окружающей среды.

Было предпринято несколько попыток создать батареи на основе ионов аммония для решения проблем устойчивости и защиты окружающей среды, поскольку эти катионы легкие, их легко синтезировать и перерабатывать. Однако катионы аммония склонны восстанавливаться до водорода и аммиака при низком рабочем потенциале, что не позволяет батареям полностью раскрыть свой потенциал. Они также легко растворяются в электролитах, что затрудняет их включение в электродные материалы.

Хусам Альшариф, докторант Чжиминг Чжао и его коллеги разработали высокоэффективную безметалловую батарею, объединив электролит , содержащий катионы аммония, с углеродными электродами. По словам Чжао, графитовый катод и анод из органического полупроводника дешевы, безвредны для окружающей среды и возобновляемы.

С катионами аммония исследователи выбрали ионы гексафторфосфата в качестве носителей отрицательного заряда и использовали способность графита обратимо размещать эти анионы в своих слоях для создания «двухионной» батареи. В аккумуляторе катионы и анионы одновременно внедряются в соответствующие электроды во время циклов зарядки и высвобождаются в электролит во время циклов разрядки.

Это отличает их работу от других исследований, говорит Чжао.

«Мы разработали электролит, обладающий как антиоксидантными, так и антивосстановительными свойствами, отсеяв ряд растворителей, устойчивых к высокому напряжению , а также приняв во внимание его устойчивость к восстановлению», — говорит Чжао.

Антиоксидантный растворитель в основном сольватирует анионы, участвующие в катодной реакции, в то время как его антивосстановительный аналог образует сольватную сферу вокруг катионов, участвующих в анодной реакции. «Эта конфигурация имеет решающее значение для стабильности батареи», — объясняет Чжао.

Аккумулятор превзошел существующие аналоги на основе ионов аммония с рекордным рабочим напряжением 2,75 вольта. «Теперь можно разработать высокоэнергетические неметаллические ионные батареи, которые могут конкурировать с металлоионными батареями», — говорит Чжао.

В настоящее время команда работает над повышением производительности, чтобы приблизиться к крупномасштабным приложениям. «Мы изучаем анодные материалы с более высокой емкостью, что имеет решающее значение для повышения плотности энергии», — говорит Чжао.

Группа Alshareef разрабатывает дешевые альтернативы литий-ионным батареям , особенно для хранения в масштабе сети. «Чтобы в конечном итоге полностью обезуглерожить энергосистему, стоимость аккумуляторов должна значительно снизиться», — говорит Альшариф. Замена лития неметаллическими носителями заряда , такими как ионы аммония, может помочь снизить эти затраты.