Кошик
165 відгуків
+380 (50) 487-59-14
+380 (61) 214-94-10
ООО "Графит-Мастер" Украина
Кошик

У графіту з'явилася чергова альтернатива в літій-іонних батареях

У графіту з'явилася чергова альтернатива в літій-іонних батареях

Зспівробітники Інституту органічної хімії імені Н. Д. Зелінського РАН і Сколтеха отримали в два рази більше енергомісткий матеріал для анодів літій-іонних батарей на основі органічних сполук німеччина. Нетоксичність і простота виробництва цього матеріалу робить його гідним аналогом використовуваного сьогодні графіту. Стаття опублікована в высокорейтинговом науковому журналі ChemSusChem. Дослідження підтримані грантом Президентської програми дослідних проектів Російського наукового фонду.

Застосування літій-іонних батарей, творці яких отримали Нобелівську премію в 2019 році, стосується всіх сфер життя сучасної людини — від гаджетів до автобусів. Вони зайняли лідируючі позиції серед акумуляторів завдяки своїй ємності і можливості багаторазового перезаряду. Висока ємність батарей досягається за рахунок компактності атомів літію, який виконує функцію носія заряду. При зарядці акумулятора позитивні іони цього металу переміщуються з катодного матеріалу (найчастіше це литийсодержащий складний оксид) в анодний (шар графіту, нанесений на мідну фольгу), а при розрядці — назад. Подальший розвиток батарей пов'язано з підвищенням їх ємності, для чого необхідно збільшувати здатність катода і анода «вбирати» як можна більше літію.

Вчені з Інституту органічної хімії імені Н. Д. Зелінського РАН (Москва) і Сколковского інституту науки і технологій знайшли альтернативу матеріалу, використовуваного в анодах батарей. Раніше дослідники запропонували замінити графіт на діоксид німеччина, що дало можливість отримати вдвічі більше ємний анод. Проте в чистому вигляді діоксид німеччина втрачає свої якості вже після декількох циклів з-за особливостей своєї хімічної структури. Справа в тому, що діоксид німеччина багато в чому є аналогом діоксиду кремнію — або просто кварцу, з якого найчастіше складається звичайний пісок. Він являє собою тривимірний полімер, в якому атоми німеччина у всіх просторових напрямках з'єднані містками з кисню. За рахунок цього конструкція виходить жорсткою, і при оборотному проникнення катіонів літію матеріал, що швидко руйнується.

«Нашою ідеєю було спробувати зробити цю структуру більш «пухкої». Для цього ми вирішили замінити один з чотирьох таких містків з киснем на органічний елемент, який перешкоджав би збірці матеріалу в тривимірний полімер, — пояснює Михайло Сыроешкин. — Ми отримали так звані органічні сесквиоксиды німеччина. Приставка "sesqui" перекладається з латинської як "півтора" і означає, що на один атом німеччина припадає півтора атома кисню. Синтезовані речовини добре відомі, повністю безпечні і нетоксичні на відміну від неорганічних сполук німеччина. Вони навіть знайшли застосування в медицині, оскільки наявність органічного фрагменту дозволяє використовувати їх як добре засвоюється германій.

Найбільш поширений сесквиоксид 2-карбоксиэтигермания, вперше отриманий в ІОХ АН СРСР, до недавнього часу використовували як біодобавки».
Вчені звернули увагу на специфічні структурні форми цих сполук — двовимірні та одномірні полімери. Завданням дослідників було зробити матеріал з як можна більш дрібними частками, тим самим збільшивши загальну площу їх поверхні. Важливо, щоб сесквиоксид, зберігаючи структуру і не руйнуючись, міг взаємодіяти з максимальною кількістю катіонів літію. Для цієї мети виявилося корисним інше його якість — розчинність у воді. Дослідники вирішили застосувати сублімаційний сушку водних розчинів — дуже простий і доступний метод, який застосовують, наприклад, при отриманні розчинної кави.

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).

Однак, досі тривають дослідження застосування графіту і графена в сучасних акумуляторних батареях, що дає підстави вважати ще довгий присутність різних аллотропних форм вуглецю на ринку компактних елементів збереження енергії.

Інші статті

Наскільки вам зручно на сайті?

Розповісти Feedback form banner