Исследователи из Центра энергетических технологий Сколтеха предложили использовать простой и масштабируемый метод для увеличения емкости широкого спектра катодных материалов для металл-ионных аккумуляторов. Результаты работы, опубликованные в журнале Journal of Materials Chemistry A, могут быть полезны для разработки нового поколения передовых перезаряжаемых устройств для хранения энергии.
Создание современных литий-ионных аккумуляторов стало возможным благодаря нескольким важным научным достижениям. Одним из этих достижений, сделанных лауреатом Нобелевской премии Джоном Гуденафом, была разработка катодных материалов, содержащих обратимо экстрагируемые ионы лития. Применение этих материалов позволило уйти от использования небезопасных анодов, таких как металлический литий. Однако такие проблемы, как ограниченная емкость, посредственная стабильность при циклировании, низкая скорость заряда-разряда, плохое влияние на экологию и т. д., все еще требовали решения.
В течение десятилетий ученые прилагали большие усилия для разработки улучшенных материалов для аккумуляторов. В результате было предложено множество катодных материалов с привлекательными свойствами. Однако аккумуляторы, в которых такие материалы применяются, зачастую могут достичь максимально возможной энергоемкости только при использовании небезопасных, имеющих высокую реакционную способность анодов, содержащих экстрагируемые катионы. Причиной этого является недостаток мобильных ионов металлов в катодах. Эта проблема приводит к понижению емкости и во многих случаях затрудняет практическое использование материалов, привлекательных в иных отношениях.
Аспирант Сколтеха Роман Капаев под руководством профессора Кита Стивенсона показал, как эту проблему можно решить для широкого спектра материалов. Для этого было предложено обрабатывать катоды растворами восстанавливающих агентов, представляющих соли щелочных металлов, полученных из ароматических соединений, например нафталина или феназина.
Важным преимуществом подхода является его масштабируемость. Процесс не требует сложных условий и является относительно безопасным. К тому же восстанавливающие агенты после реакции с катодами могут быть использованы повторно, так как их редокс-химия обратима. Эти достоинства делают метод перспективным для крупномасштабного производства.
Подход можно применять для широкого спектра органических и неорганических материалов для аккумуляторов. Более того, он оказался применимым не только для литий-ионных, но и для натрий- и калий-ионных аккумуляторов, потенциально более дешевых и привлекательных с точки зрения устойчивого развития устройств для хранения энергии. Была показана возможность контролировать содержание ионов металлов в катодах посредством изменения количества восстанавливающих агентов или их потенциалов окисления.
«Подход можно рассматривать как мощный набор инструментов, который можно использовать для улучшения характеристик разнообразных материалов для аккумуляторов», — комментирует работу Роман Капаев, — «Это также простой и недорогой метод, использующий перерабатываемые реагенты, поэтому мы думаем, что он подходит для практических крупномасштабных применений».
*****
Сколтех – негосударственный международный университет. Созданный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (MIT), Сколтех готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит исследования в прорывных областях и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Сколтех развивает шесть приоритетов: наука о данных и искусственный интеллект, науки о жизни и здоровье, современные методы проектирования и перспективные материалы, энергоэффективность, фотоника и квантовые технологии, перспективные исследования. Усилия Сколтеха призваны способствовать укреплению технологического превосходства России в приоритетных направлениях.
