Ответственный выбор

Исследование ученых ИФХЭ РАН позволяет получить четырехкратный выигрыш по емкости литий-ионных аккумуляторов

01.07.2021
Главная » Дела » Ответственный выбор » Исследование ученых ИФХЭ РАН позволяет получить четырехкратный выигрыш по емкости литий-ионных аккумуляторов

Ученые лаборатории процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН совместно с коллегами из МИЭТ создали нановолокнистый анод из германия для литий-ионной батареи, использование которого позволит получить четырехкратный выигрыш по емкости.

Литий-ионные аккумуляторы появились в 90-ых годах прошлого века и были тогда по-настоящему прорывной технологией: в одном литий-ионном аккумуляторе запасено столько же энергии, сколько в трех никель-кадмиевых аккумуляторах такого же размера и веса.

Благодаря литий-ионным аккумуляторам стало возможным создание портативной электронной аппаратуры, включая мобильную связь. Все современные айфоны и смартфоны, все ноутбуки и планшеты, весь портативный беспроводной инструмент (от столярного до парикмахерского и от медицинского до спортивного) питаются от литий-ионных аккумуляторов. А в последнее время масштаб производства и применения литий-ионных аккумуляторов вырос настолько, что реальностью стали электромобили.

Но, как показали исследования ученых ИФХЭ РАН, эффективность литий-ионных аккумуляторов можно повысить.

В обычных литий-ионных аккумуляторах отрицательные электроды (аноды) изготавливают из углеродных (графитоподобных) материалов. Предельная емкость графитного электрода составляет 0.37 Ач/г, что в 3 с лишним раза меньше, чем у германиевого.

Энергоемкость материала определяется количеством лития, которое может запасти активный материал аккумулятора. Графит способен внедрять в себя не более 1 атома лития на 6 атомов углерода, а германий — до 22 атомов лития на 5 атомов германия. Рассчитанная теоретически предельная емкость германия составляет, таким образом, 1.62 Ач/г — в 4,4 раза больше, чем у графита.

Казалось бы, достаточно заменить графит на германий и получить заметный выигрыш в удельной энергии аккумулятора — ведь размер отрицательного электрода при неизменной емкости станет в 4.4 раза меньше?!

Однако природа не терпит простых решений. Поскольку плотность лития во много раз меньше плотности германия (0.5 г/см3 против 5.46 г/см3), при внедрении лития в германий происходит сильное увеличение объема, т.е. германий буквально распирает вошедшим в него литием, что приводит к разрушению (искрашиванию) электрода.

Этой беды можно избежать, если использовать германий в виде нанообъектов, в частности, в виде нановолокон. Распирающей силы лития, вошедшего в волокно диаметром всего 20−50 нм, не хватит, чтобы это волокно разрушить.

Электроды, изготовленные по технологии, предложенной учеными, показали очень обнадеживающие характеристики, открывающие дорогу в серьезное производство.

В лаборатории процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН продолжают совершенствование литий-ионных аккумуляторов, однако научный интерес уже перемещается в сторону пост-литиевых систем, т. е. к аккумуляторам, которые придут на смену литий-ионным: натрий-ионным и литий-серным аккумуляторам.

Исследования проведены в рамках проекта Российского научного фонда № 20-79-10312.

Благодарим доктора химических наук, профессора Александра Скундина (главный научный сотрудник лаборатории процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН), за помощь в подготовке материала.

Германиевый анод
Германиевый анод