Ученые из России и Франции нашли энергоемкую замену графитовым электродам литий-ионных аккумуляторов

Ученые из России и Франции нашли более энергоемкую замену для графитовых электродов, которые используют в литий-ионных аккумуляторах – двуокись германия. Об этом пишет пресс-служба Российского научного фонда (РНФ) со ссылкой на научный журнал ChemSusChem.

«Это получилась «коронавирусная» работа сразу по двум причинам. Во-первых, наша статья была отправлена и принята во время карантина. Во-вторых, ее главный герой, наноразмерный органический сесквиоксид германия, похож на коронавирус. На самом деле он вполне себе добрый, а тонкие волокна позволяют ему обратимо впитывать катионы лития, на что неспособен чистый диоксид германия», – рассказал руководитель исследования, старший научный сотрудник Института органической химии РАН Михаил Сыроешкин.

Современные аккумуляторы состоят из трех частей: катода, анода и электролита. Первый служит положительным полюсом батареи и источником электрической энергии, второй – отрицательным полюсом и «изымателем» тока, а электролит позволяет носителям заряда «путешествовать» между катодом и анодом. Мощность батареи напрямую зависит от состава катода, а ее долговечность – от того, как сильно разрушается материал компонентов при циклах разряда-заряда.

От устройства всех компонентов батареи зависит и то, насколько они опасны для человека. К примеру, многие типы современных литий-ионных аккумуляторов взрываются из-за того, что при перегреве внутри них начинают возникать короткие замыкания. Они еще больше нагревают аккумулятор, испаряют электролит, превращая его в пузырьки горячего газа, что в конечном итоге приводит к расплавлению всего аккумулятора и взрыву.

Сыроешкин и его коллеги нашли более эффективную, безопасную и менее токсичную замену для современных графитовых электродов, используемых при изготовлении анодов литиевых батарей, экспериментируя с различными соединениями германия.

Ученые уже достаточно давно знают о том, что двуокись германия теоретически может удвоить емкость анода аккумуляторов. На практике, как объясняют российские химики, попытки использовать это вещество заканчивались тем, что электроды быстро приходили в негодность, так как GeO₂ быстро разрушался через несколько циклов заряда и разряда. Дело было в жесткой кристаллической структуре этого материала.

«Нашей идеей было попробовать сделать ее более «рыхлой». Для этого мы решили заменить один из четырех кислородных мостиков, соединяющих атомы германия, на органический фрагмент, который препятствовал бы сборке материала в трехмерный полимер. Мы получили так называемые органические сесквиоксиды германия», – пояснил Сыроешкин.

Эти вещества полностью безопасны для человека и животных, их используют в медицине и пищевой промышленности в качестве биодобавок. Оказалось, что наночастицы из оксида германия могут очень хорошо «впитывать» в себя ионы лития и возвращать их назад на протяжении многих сотен циклов работы аккумулятора.

Первые опыты с анодами из этих наноструктур показали, что они примерно в два раза превосходят графитовые аналоги по емкости. Это, как надеются исследователи, позволит им быстро проникнуть в промышленность и значительно повысить энергоемкость литиевых аккумуляторов и прочих типов батарей.

Ранее было показано, что графеновые электроды на 300% улучшают литий-ионные батареи.