JACS: создана первая в мире нетоксичная алюминий-ионная батарея

Концепция изобретения была изложена в статье, опубликованной в Journal of the American Chemical Society (JACS).

В настоящее время алюминий-ионные батареи (AIB) привлекают большое внимание ученых из-за их потенциальной дешевизны, поскольку алюминий является третьим наиболее распространенным элементом в земной коре (8,1 процента). AIB также способны хранить больше энергии в единице объема, чем литий-ионные батареи (LIB), то есть характеризуются большей плотностью энергии.

Одна из основных проблем алюминий-ионных батарей заключается в медленном переносе ионов Al3+, что приводит к низкой эффективности катода. Для ее решения в качестве катодов используются полимеры с чередующимися донорными и акцепторными компонентами, однако в их случае выходное напряжение батареи остается низким.

Для доказательства возможности создания безопасной и эффективной алюминиево-радикальной батареи исследователи изучили поведение 2,2,6,6-тетраметилпиперидил-1-окси (TEMPO) в органических и водных электролитах.

Радикал TEMPO представляет собой электродный материал с высоким окислительно-восстановительным потенциалом, который широко используется в качестве катодного материала в многовалентных металлоионных батареях. Однако TEMPO не применялся в алюминий-ионных батареях из-за нежелательного и необратимого побочного процесса, называемого диспропорционированием, когда одно и то же соединение выступает как восстановителем, так и окислителем.

Ученые выяснили, что диспропорционирование в наиболее часто используемых в батареях органических электролитах Al(OTf)3 можно превратить в обратимый процесс, если перейти на водную среду. Это позволило создать первую конструкцию алюминий-ионной батареи на водной основе с радикальными полимерами. Она продемонстрировала огнестойкость, стабильность на воздухе и обеспечила стабильное выходное напряжение 1,25 вольта и емкость 110 миллиампер-час на грамм в течение 800 циклов перезарядки с потерями, равными 0,028 процента за цикл.