現(xiàn)在，鋰離子電池成為日常生活不可或缺的東西，廣泛用于存儲(chǔ)能量，尤其是用于便攜式電子產(chǎn)品。由于電動(dòng)汽車不斷得到發(fā)展，吸引了越來越多的投資，電池的需求也在激增。例如，沃爾沃計(jì)劃到2025年將電動(dòng)汽車銷量占總銷量的比例提高至50%，而戴姆勒宣布將停止研發(fā)內(nèi)燃機(jī)，重點(diǎn)轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車。

不過，大量使用鋰離子電池會(huì)使生產(chǎn)鋰離子電池所需的資源面臨嚴(yán)重短缺。鈷、鎳和錳等過渡性金屬通常用于制造電池陰極，相當(dāng)稀有、昂貴，而且有毒。有少數(shù)幾個(gè)國家在生產(chǎn)大多數(shù)不是很常見的鋰，但全球范圍內(nèi)的鋰供應(yīng)量太少，無法讓所有傳統(tǒng)汽車都被由鋰電池提供動(dòng)力的電動(dòng)汽車所取代。據(jù)德國能源經(jīng)濟(jì)研究中心(FFE)估計(jì)，在未來幾十年內(nèi)，鋰金屬短缺可能會(huì)變成一個(gè)嚴(yán)重的問題。最近，科學(xué)家們都提出建議，尋找鈉和鉀等其他替代品，此類金屬在化學(xué)特性上與鋰相似。

斯科爾科沃科技學(xué)院的研究人員在Pavel Troshin教授的帶領(lǐng)下，在研發(fā)基于有機(jī)陰極材料的鈉和鉀電池方面取得了很大的進(jìn)展。

研究人員們?cè)诘谝黄撐闹刑岬揭环N含有六氮雜苯并菲(hexaazatriphenylene)碎片的聚合物。事實(shí)證明，該新材料同樣適用于鋰電池、鈉電池和鉀電池，充電時(shí)間為30至60秒，在經(jīng)歷數(shù)千次的充放電循環(huán)后仍能夠保持儲(chǔ)能能力。該論文的第一作者兼Skoltech的博士生Roman Kapaev解釋道：“多功能性是有機(jī)材料的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一，相對(duì)于反離子的特性，它們的氧化還原反應(yīng)機(jī)制沒有那么明顯，因而更容易找到鋰離子電池的替代品。隨著鋰的價(jià)格不斷上漲，用更便宜的、永遠(yuǎn)用不完的鈉或鉀來代替鋰是合理的。至于無機(jī)材料，情況會(huì)變得更加復(fù)雜。”

六氮雜苯并菲聚合物陰極的缺點(diǎn)是工作電位較低(相對(duì)于K+/K電位約為1.6V)，導(dǎo)致儲(chǔ)能能力下降。因而，研究人們?cè)诘诙撐闹刑岬搅肆硪环N材料，一種基于二氫苯那津胺(dihydrophenazine)的聚合物，沒有工作電位較低的缺點(diǎn)，可以確保電池的平均工作電壓增加至3.6V。該論文的第一作者兼Skoltech的博士生Philipp Obrezkov解釋表示：“芳香族聚合物可制成優(yōu)良的高壓有機(jī)陰極，用于金屬離子電池。在此次研究中，我們首次在鉀電池陰極中使用了多氮苯基5，10二氫苯那津胺。通過徹底優(yōu)化電解質(zhì)，達(dá)到了593Wh/kg的比能，是目前所知的所有鉀離子電池陰極所達(dá)到的最高比能。”

金屬離子電池具有的主要問題之一是會(huì)生長金屬枝晶，尤其是配備金屬陽極的電池。金屬枝晶長到電池芯中會(huì)導(dǎo)致短路，通常還會(huì)引起火災(zāi)甚至爆炸。為避免此種情況，可以采用合金代替純堿金屬，因?yàn)楹辖鹪陔姵毓ぷ鳒囟认率且簯B(tài)的，這也是2019年諾貝爾獎(jiǎng)得主John B. Goodenough所提出的觀點(diǎn)。鉀鈉合金的熔點(diǎn)低，為零下12.7攝氏度，鈉含量約為22%。

在第三次研究中，科學(xué)家們?cè)谔技埳鲜褂昧祟愃频拟c鉀合金，作為電池的陽極，而之前所研發(fā)的氧化還原活性聚合物作為陰極。據(jù)說，此類電池可以在10秒的時(shí)間內(nèi)完成充放電。有趣的是，其中一種聚合物陰極使鉀電池達(dá)到了最高能量容量，而另一種陰極讓鉀電池具備極好的穩(wěn)定性，在1萬次充放電循環(huán)后，只損失了11%的容量。此外，基于此兩種材料制成的電池都顯示了無與倫比的功率特性，接近100000W/kg，達(dá)到了超級(jí)電容器的功率水平。