Создание и внедрение электрохимических энергозапасающих устройств является важной вехой на пути к реализации целей устойчивого развития. Ключевыми компонентами аккумуляторов и суперконденсаторов являются энергозапасающие материалы, в которых накапливается химическая энергия, и электролиты, обеспечивающие ионный транспорт, необходимый для преобразования этой химической энергии в электрическую. Дизайн ключевых компонентов энергозапасающих устройств — новых безопасных, экологичных и дешёвых электролитов и активных материалов, обеспечивающих конкурентоспособные характеристики готовых аккумуляторов, является важной задачей для развития отрасли.

Благодаря широкому диапазону потенциалов стабильности органические электролиты обеспечивают возможность создания аккумуляторов и суперконденсаторов с высоким рабочим напряжением, а значит, и запасаемой энергией. Однако органические растворители, входящие в состав таких электролитов, не являются ни экологичными (как при использовании, так и при утилизации), ни безопасными (о чём говорит статистика возгораний и сопутствующих экономических потерь). Поэтому предпринимаются попытки создания различных альтернативных электролитов на водной основе, в том числе сверхконцентрированных электролитов (или, иначе, электролитов типа “вода-в-соли”), которые позволяют миновать недостатки как традиционных водных электролитов (“соль-в-воде”) (малый диапазон напряжений, наличие побочных реакций, плохая совместимость с рядом материалов, склонных к гидролизу), так и органических (уже упомянутые пожароопасность и неэкологичность, токсичность, сложность работы при производстве и утилизации).

Если для электролитов переход от органических электролитов к системам типа “вода-в-соли” приведет к увеличению экологичности и к простоте и дешевизне производства и утилизации устройств, для электродных материалов ситуация обратная. Неорганические материалы, традиционно использующиеся во всех типах аккумуляторов, содержат тяжелые металлы, требуют высокотемпературных методик синтеза для производства и сложных условий утилизации, и потому не удовлетворяют существующим запросам на экологичность и энергоэффективность производства аккумуляторов. В связи с этим стремительно развивается направление исследований, связанное с использованием в аккумуляторах органических электродных материалов, призванных заменить неорганические в ряде ниш, таких как гибкие и носимые устройства. Использование органических материалов исключает ряд перечисленных проблем: как правило, производство органических материалов менее затратна, а сырьё для их синтеза можно получить из возобновляемых источников. Более того, утилизация таких электродов несёт меньшие риски для окружающей среды.

В данном проекте мы изучим возможность создания энергозапасающих устройств, объединяющих два направления исследований — органические электродные материалы и сверхконцентрированные электролиты. Несмотря на кажущуюся перспективность такой комбинации, подобные системы практически не изучены. Основной задачей данного проекта мы ставим непосредственно демонстрацию принципиальной возможности сочетания органического электродного материала и сверхконцентрированного электролита как компонентов аккумуляторов и/или гибридных суперконденсаторов. Сопутствующие задачи включают в себя дизайн как электролитов, так и электродных материалов, а также достижение наилучших функциональных характеристик устройств, включая удельную ёмкость и энергию, циклическую стабильность и скорость перезарядки. В результате выполнения проекта будет открыто новое направление создания эффективных и безопасных энергозапасающих устройств.

В результате реализации проекта будет получена энергозапасающая система, состоящая из органического электродного материала и сверхконцентрированного электролита на водной основе. В данном проекте мы ограничимся катодным полуэлементом в качестве модельной системы. Подбор энергозапасающего материала будет проводиться из ряда проводящих полимеров (с системой π-сопряжённых связей) и малых молекул на основе хинона, которые не могут быть использованы в органических электролитах из-за своей растворимости. Будут выявлены проблемы совместимости материалов различных классов со сверхконцентрированными электролитами, ограничения использования таких комбинаций и перспективы развития.

Конкретные результаты осуществляемого проекта включают в себя следующие пункты.