俄罗斯斯科尔科沃科研中心、俄罗斯科学院和乌拉尔联邦大学的科学家合作开发出一种超快速充电的大容量钾电池，从而证明高容量，高功率的电池可以由不含锂或其他稀有元素的有机材料制成。
他们的研究结果发表在《材料化学A杂志》和《物理化学快报与化学通讯》上。这种电池的正极材料具有令人印象深刻的稳定性，并在快速充电/放电钾基电池中记录了高能量密度。
锂离子电池广泛用于能量存储，尤其是在便携式电子产品中。但由于电动汽车的快速发展，对电池的需求正在激增。沃尔沃计划到2025年将电动汽车的市场份额提高到其总销量的50％，戴姆勒宣布完全放弃内燃机的计划，将重点转移到电动汽车上。
但是，锂离子电池的大量使用加剧了其生产所需资源的严重短缺。阴极中常用的过渡金属，例如钴，镍和锰金属非常稀有，昂贵且有毒。大多数不常见的锂是由少数几个国家生产的，锂的全球供应量太少，无法用锂电池供电的电动汽车取代传统汽车。德国能源经济学研究中心估计，锂储量的稀缺性可能成为未来几十年的主要问题。科学家们建议寻找替代品，例如钠和钾，其化学性质类似于锂。
由帕维尔·特罗辛教授领导的斯科尔科沃科研中心的研究人员在开发基于有机阴极材料的钠和钾电池方面取得了重大进展。这种电池含有六氮杂苯基的聚合物。这种新材料同样适用于锂，钠和钾电池，可在30到60秒内充电，并在经过数千次充放电循环后仍保持其储能能力。
该论文的第一作者罗曼·卡帕耶夫解释说：“多功能性是有机材料的主要优势之一。它们的氧化还原机制对反离子性质的依赖性要小得多，这使得更容易找到锂离子电池的替代品。随着锂价格的上涨，用更便宜的钠或钾替代它是有意义的，这些材料永远不会用完。至于无机材料，情况要复杂得多。”
不利之处在于，六氮杂三苯基于聚合物的阴极具有较低的工作电势，这导致储能能力下降。科学家又提出了另一种材料，一种基于二氢吩嗪的聚合物，它克服了这个缺点，可以确保将电池的平均工作电压提高到3.6伏。
芳香族聚合物胺可以制成金属离子电池的出色高压有机阴极。在这项研究中，科学家们首次在钾电池阴极中使用了聚-N-苯基-5,10-二氢吩嗪。通过彻底优化电解质，他们获得的比能为593 Wh / kg，这是目前所有已知的K离子电池阴极的创纪录的高值。
金属离子电池，尤其是带有金属阳极的电池的一个主要问题是金属树枝状晶体会在电池中的生长，这会引起短路，并经常引起火灾甚至爆炸。在电池工作温度下用液态合金代替纯碱金属可以防止此类情况的发生，这是由2019年诺贝尔奖获得者约翰·B·古德诺教授最近提出的方法。
已知低熔点钾钠合金（NaK）含有约22％重量的钠，熔点为-12.7摄氏度。
科学家使用了一种类似的钾钠合金作为碳素纸，将其应用在碳纸上作为阳极，并将先前获得的氧化还原活性聚合物用作阴极。此类电池可以在不到10秒的时间内充完电。有趣的是，其中一个聚合物阴极表现出最高的钾电池能量容量，而另一个阴极表现出出色的稳定性，在10000次充电/放电循环后仅损失了11％的容量。同样，基于这两种材料的电池还表现出无与伦比的功率特性，接近100000 W / kg，这是超级电容器的典型水平。
团队负责人帕维尔·特罗辛表示：“目前，金属离子电池和超级电容器是最常见的储能解决方案。前者每单位质量存储大量能量，但在多个循环后缓慢充电并很快失去容量，而后者则快速充电并承受数万次循环，但存储容量较弱。我们证明了电活性有机物材料结合了金属离子电池和超级电容器的优点，从而消除了对昂贵的过渡金属化合物，以及需要的存储设备锂 。”
