Создание нового поколения высокоемких "полностью органических" аккумуляторов на основе стабильных радикалов: направленный дизайн и синтез

Создание органических батарей как экологичной альтернативы широко используемым в настоящее время неорганическим устройствам хранения и превращения энергии в последние годы приобретает особую актуальность. Это связано не только с современными требованиями химии устойчивого развития, но и с широкими возможностями направленной функционализации химических соединений для решения конкретных задач, которые характерны именно для органических молекул. Замена обычных металлов в качестве редокс-активного материала органическими материалами, обеспечивает многообещающую альтернативу для следующего поколения аккумуляторных батарей, поскольку органические батареи превосходят неорганические аналоги в цене, емкости, скоростях зарядки, экологической безопасности, а также в возможности получать "гибкие" аккумуляторы любой формы и размера.В основе проекта лежит принципиально новая идея, связанная с молекулярным дизайном и направленным синтезом устойчивых органических радикалов с высокими значениями электрохимической щели, для последующего их использования в качестве редокс-активных электродных материалов. Ранее с этой целью исследовались только нитроксильные стабильные радикалы. Они устойчивы, обладают быстрой кинетикой электронного переноса, но не образуют устойчивых восстановленных форм, обладают низкой "вариативностью" редокс-свойств и невысокими значениями электрохимической щели, что ограничивает их практическое использование. В ходе выполнения проекта будет применена совершено новая методология построения "молекулярной платформы", основанная на получение стабильных радикалов, в которых граничные орбитали локализованы на различных участках молекулы. Это позволит очень тонко и что важно - раздельно, "настраивать" значения энергий граничных орбиталей и тем самым варьировать значение электрохимической щели в молекулах. Таким образом направленный дизайн углеродного скелета стабильных органических радикалов позволит провести "настройку" значений редокс-потенциалов с целью получения максимального выходного напряжения энергетического устройства. В качестве "инструментов" структурной настройки в проекте впервые будет проведено не только введение заместителей с различной электроно-донорной способностью (при этом число и масса вводимых заместителей должны быть минимизированы, чтобы обеспечить приемлемую емкость устройств), но и направленное изменение степени сопряжения участков молекул, на которых локализованы граничные орбитали. Планируемое систематическое исследование позволит выявить фундаментальные корреляции типа "структура - свойство", которые крайне важны для создания эффективных методологий направленного дизайна оптимальных структур. Это позволит получить амбиполярные редокс-активные электродные материалы, которые представляют большой интерес для создания технологичных "полностью органических" батарей, которые безопасны для длительного хранения и гораздо менее требовательны к свойствам разделительной мембраны, т.к. катодное и анодное пространство в незаряженном состоянии содержит одно и то же вещество.При реализации данного подхода будут разработаны новые синтетические методы (в том числе и электрохимические) получения новых редокс-активных электродных материалов - устойчивых органических радикалов с высокими значениями "электрохимической щели". Будет получен широкий набор ранее не описанных соединений, перспективных для создания радикальных "полностью органических" батарей, проведено их подробное вольтамерометрическое исследование, по результатам которого наиболее перспективные соединения будут протестированы в модельных устройствах. Синтезированные новые стабильные органические радикалы будут тестированы как электроактивные материалы не только для полностью органических, но и для Li-органических батарей, в которых они могут выступать в роли перспективных катодных материалов.В проекте будет также подробно изучена возможность использовать в качестве электропроводящих компонентов редокс-активные полимеры на основе пиррола, тиофена, анилина. Будет произведена электрополимеризация редокс-активных мономеров функционализированных наиболее перспективными органическими стабильными радикалами. Полученные функционализированные электрополимеры будут тестированы, как электроактивные материалы (катод и анод) в "полностью органических" батареях. Исследование этих реакций представляет как фундаментальный, так и практический интерес, поскольку они являются ключевыми стадиями многих важных процессов.Таким образом предлагаемый проект направлен на:- разработку фундаментальных принципов рационального дизайна новых электроактивных материалов на основе устойчивых органических стабильных радикалов с большим значением электрохимической щели, позволяющих обеспечить высокую редокс-емкость и удельную энергию модельных устройств,- фундаментальное исследование процессов электрохимического окисления и восстановления индивидуальных компонентов (стабильных радикалов) и функциональных полимеров: определение основных факторов влияющих на данный процесс, - всестороннее электрохимическое исследование и последующее тестирование полученных соединений и материалов на их основе в модельных устройствах.