俄羅斯斯科爾科沃科研中心、俄羅斯科學院和烏拉爾聯邦大學的科學家合作開發出一種超快速充電的大容量鉀電池，從而證明高容量，高功率的電池可以由不含鋰或其他稀有元素的有機材料製成。
他們的研究結果發表在《材料化學A雜誌》和《物理化學快報與化學通訊》上。這種電池的正極材料具有令人印象深刻的穩定性，並在快速充電/放電鉀基電池中記錄了高能量密度。
鋰離子電池廣泛用於能量存儲，尤其是在可攜式電子產品中。但由於電動汽車的快速發展，對電池的需求正在激增。沃爾沃計劃到2025年將電動汽車的市場份額提高到其總銷量的50％，戴姆勒宣布完全放棄內燃機的計劃，將重點轉移到電動汽車上。
但是，鋰離子電池的大量使用加劇了其生產所需資源的嚴重短缺。陰極中常用的過渡金屬，例如鈷，鎳和錳金屬非常稀有，昂貴且有毒。大多數不常見的鋰是由少數幾個國家生產的，鋰的全球供應量太少，無法用鋰電池供電的電動汽車取代傳統汽車。德國能源經濟學研究中心估計，鋰儲量的稀缺性可能成為未來幾十年的主要問題。科學家們建議尋找替代品，例如鈉和鉀，其化學性質類似於鋰。
由帕維爾·特羅辛教授領導的斯科爾科沃科研中心的研究人員在開發基於有機陰極材料的鈉和鉀電池方面取得了重大進展。這種電池含有六氮雜苯基的聚合物。這種新材料同樣適用於鋰，鈉和鉀電池，可在30到60秒內充電，並在經過數千次充放電循環後仍保持其儲能能力。
該論文的第一作者羅曼·卡帕耶夫解釋說：「多功能性是有機材料的主要優勢之一。它們的氧化還原機制對反離子性質的依賴性要小得多，這使得更容易找到鋰離子電池的替代品。隨著鋰價格的上漲，用更便宜的鈉或鉀替代它是有意義的，這些材料永遠不會用完。至於無機材料，情況要複雜得多。」
不利之處在於，六氮雜三苯基於聚合物的陰極具有較低的工作電勢，這導致儲能能力下降。科學家又提出了另一種材料，一種基於二氫吩嗪的聚合物，它克服了這個缺點，可以確保將電池的平均工作電壓提高到3.6伏。
芳香族聚合物胺可以製成金屬離子電池的出色高壓有機陰極。在這項研究中，科學家們首次在鉀電池陰極中使用了聚-N-苯基-5,10-二氫吩嗪。通過徹底優化電解質，他們獲得的比能為593 Wh / kg，這是目前所有已知的K離子電池陰極的創紀錄的高值。
金屬離子電池，尤其是帶有金屬陽極的電池的一個主要問題是金屬樹枝狀晶體會在電池中的生長，這會引起短路，並經常引起火災甚至爆炸。在電池工作溫度下用液態合金代替純鹼金屬可以防止此類情況的發生，這是由2019年諾貝爾獎獲得者約翰·B·古德諾教授最近提出的方法。
已知低熔點鉀鈉合金（NaK）含有約22％重量的鈉，熔點為-12.7攝氏度。
科學家使用了一種類似的鉀鈉合金作為碳素紙，將其應用在碳紙上作為陽極，並將先前獲得的氧化還原活性聚合物用作陰極。此類電池可以在不到10秒的時間內充完電。有趣的是，其中一個聚合物陰極表現出最高的鉀電池能量容量，而另一個陰極表現出出色的穩定性，在10000次充電/放電循環後僅損失了11％的容量。同樣，基於這兩種材料的電池還表現出無與倫比的功率特性，接近100000 W / kg，這是超級電容器的典型水平。
團隊負責人帕維爾·特羅辛表示：「目前，金屬離子電池和超級電容器是最常見的儲能解決方案。前者每單位質量存儲大量能量，但在多個循環後緩慢充電並很快失去容量，而後者則快速充電並承受數萬次循環，但存儲容量較弱。我們證明了電活性有機物材料結合了金屬離子電池和超級電容器的優點，從而消除了對昂貴的過渡金屬化合物，以及需要的存儲設備鋰 。」