Корзина
95 отзывов
+38(050)4875914
Контакты
ООО "Графит-Мастер"
Наличие документов
Знак Наличие документов означает, что компания загрузила свидетельство о государственной регистрации для подтверждения своего юридического статуса компании или физического лица-предпринимателя.
+380504875914
+380612149410
Александр Сенченко
УкраинаЗапорожская областьЗапорожьеКруговая 165
Карта

У графита появилась очередная альтернатива в литий-ионных батареях

У графита появилась очередная альтернатива в литий-ионных батареях

Сотрудники Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН и Сколтеха получили в два раза более энергоемкий материал для анодов литий-ионных батарей на основе органических соединений германия. Нетоксичность и простота производства этого материала делает его достойным аналогом используемого сегодня графита. Статья опубликована в высокорейтинговом научном журнале ChemSusChem. Исследования поддержаны грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда.

Применение литий-ионных батарей, создатели которых получили Нобелевскую премию в 2019 году, касается всех областей жизни современного человека — от гаджетов до автобусов. Они заняли лидирующие позиции среди аккумуляторов благодаря своей емкости и возможности многократного перезаряда. Высокая емкость батарей достигается за счет компактности атомов лития, который выполняет функцию носителя заряда. При зарядке аккумулятора положительные ионы этого металла перемещаются из катодного материала (чаще всего это литийсодержащий сложный оксид) в анодный (слой графита, нанесенный на медную фольгу), а при разрядке — обратно. Дальнейшее развитие батарей связано с повышением их емкости, для чего необходимо увеличивать способность катода и анода «впитывать» как можно больше лития.

Ученые из Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН (Москва) и Сколковского института науки и технологий нашли альтернативу материалу, используемому в анодах батарей. Ранее исследователи предложили заменить графит на диоксид германия, что дало возможность получить вдвое более емкий анод. Однако в чистом виде диоксид германия теряет свои качества уже после нескольких циклов из-за особенностей своей химической структуры. Дело в том, что диоксид германия во многом является аналогом диоксида кремния — или попросту кварца, из которого чаще всего состоит обычный песок. Он представляет собой трехмерный полимер, в котором атомы германия во всех пространственных направлениях соединены мостиками из кислорода. За счет этого конструкция получается жесткой, и при обратимом проникновении катионов лития материал быстро разрушается.

«Нашей идеей было попробовать сделать эту структуру более «рыхлой». Для этого мы решили заменить один из четырех таких мостиков с кислородом на органический фрагмент, который препятствовал бы сборке материала в трехмерный полимер, — поясняет Михаил Сыроешкин. — Мы получили так называемые органические сесквиоксиды германия. Приставка “sesqui” переводится с латинского как “полтора” и означает, что на один атом германия приходится полтора атома кислорода. Синтезированные вещества хорошо известны, полностью безопасны и нетоксичны в отличие от неорганических соединений германия. Они даже нашли применение в медицине, поскольку наличие органического фрагмента позволяет использовать их как хорошо усваивающийся германий.

Наиболее распространенный сесквиоксид 2-карбоксиэтигермания, впервые полученный в ИОХ АН СССР, до недавнего времени использовали в качестве биодобавки».
Ученые обратили внимание на специфические структурные формы этих соединений — двумерные и одномерные полимеры. Задачей исследователей было сделать материал с как можно более мелкими частицами, тем самым увеличив общую площадь их поверхности. Важно, чтобы сесквиоксид, сохраняя структуру и не разрушаясь, мог взаимодействовать с максимальным количеством катионов лития. Для этой цели оказалось полезным другое его качество — растворимость в воде. Исследователи решили применить сублимационную сушку водных растворов — очень простой доступный метод, который применяют, например, при получении растворимого кофе.

Раствор замораживают и из него сублимируют воду, то есть испаряют из твердого состояния сразу в газообразное. При выпаривании воды молекулы соединения начинают собираться вместе и кристаллизоваться — подобный процесс мог наблюдать любой, кто у себя дома или в школе растил кристаллы соли из раствора. Однако, когда раствор заморожен, молекулам сложно двигаться друг к другу и собираться в крупные частицы. В результате полученный препарат выглядит как цветок хризантемы, собранный из тонких — толщиной всего в несколько десятков нанометров — волокон. Испытания такого материала показали его емкость, в два раза большую по сравнению с классическим графитом. При этом его структура гораздо стабильнее, чем диоксид германия. Единственный недостаток - германий - редкоземельный химический элемент и стоимость его добычи значительно выше стоимости производства высокочистого графита

Начало совместной работы ученых было положено после встречи на форуме Наука будущего. Исследования проводились совместно с коллегами из Института химических исследований Ренна (г. Ренн, Франция), Сколковского института науки и технологий (г. Москва), Института проблем химической физики РАН (г. Черноголовка), Омского государственного технического университета (г. Омск) и Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева (Москва).

Однако, по прежнему продолжаются исследования применения графита и графена в современных аккумуляторных батареях, что дает основания полагать еще долгое присутствие различных аллотропных форм углерода на рынке компактных элементов сохранения энергии.

facebook twitter