Литий-ионные батареи с катодом из кобальта неплохо показывают себя в деле, однако для их производства требуется металл, который добывают далеко не повсюду, а колебания цен нервируют производителей аккумуляторов. Вместе с распространением электрического транспорта цены на кобальт будут только расти. Эти соображения заставляют исследователей браться за разработку альтернативных материалов для элементов питания. Один из них — литий-железо-фосфат (LFP), но такие аккумуляторы не могут обеспечить автомобилям большой запас хода.

Другой вариант — органические материалы, которые до сих пор не могли соперничать с кобальтом по проводимости, емкости и сроку службы. Проблему низкой проводимости обычно решают добавлением полимеров, которые снижают емкость батареи. Однако исследователям из MIT удалось найти органический материал, оказавшийся хорошим проводником, сообщает MIT News.

Материал состоит из множества слоев органической молекулы 2-тетраминобензохинон, состоящей из трех шестиугольных колец. Слои можно наращивать в любую сторону, образуя структуру, напоминающую графит. Химические группы хинонов в этой молекуле выполняют роль резервуаров для электронов, и амины помогают материалу формировать сильные водородные связи, благодаря которым материал становится нерастворимым в жидком электролите батареи.

Испытания показали, что проводимость и емкость материала сравнимы с показателями традиционных литиевых батарей с кобальтом. А зарядка и разрядка происходят быстрее.

Для стабилизации органического материала и повышения сцепки с токовым коллектором батареи, изготовленным из меди или алюминия, ученые добавили наполнители в виде целлюлозы и резины. Их доля в катоде не превышает 10%, так что потеря емкости оказывается незначительной. К тому же, они повышают срок службы катода, предотвращая образование трещин.

Сырье для получения 2-тетраминобензохинона доступно и производится в промышленных масштабах. По оценке разработчиков, затраты на сборку таких органических батарей будут составлять примерно треть или половину от расходов на кобальтовые батареи.

Ученые из США преодолели главное ограничение органических твердотельных литиевых батарей — ограниченную плотность энергии из-за особенностей микроспокических структур внутри катода. Им удалось улучшить транспорт ионов и повысить плотность энергии катода.