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.
