Новосибирские ученые сделали аккумуляторы более ёмкими

Однако исследователи не могут найти необходимой финансовой поддержки для продолжения работы.

Исследователи из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН разработали новый материал для литий-ионных аккумуляторов на основе наноразмерного литий-марганцевого оксида. Он позволит сделать батареи более ёмкими и значительно увеличить скорость заряда. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials, сообщает журнал «Наука в Сибири». 

— Раньше исследовали материалы, из которых можно было экстрагировать только один ион лития на формульную единицу, при этом заряд иона d-металла увеличивался также на единицу — то есть происходил одноэлектронный процесс, что определяло достаточно небольшую ёмкость аккумулятора. В дальнейшем стало понятно: необходимо найти такие материалы, из структуры которых можно было бы экстрагировать два или три иона лития, а для этого нужно подбирать d-металлы, способные к многоэлектронному процессу окисления-восстановления», — рассказывает старший научный сотрудник ИХТТМ СО РАН кандидат химических наук Нина Косова. 

Оказалось, что в качестве таких металлов можно использовать никель, ванадий, марганец. Если соединения первых двух считаются ядовитыми, то последний оказался экологически безопасным. 

В рамках НИР учеными было исследовано множество систем и, наконец, получено новое соединение с уникальными электрохимическими свойствами. 

Французская компания SAFT опубликовала три патента — французский, европейский и мировой. А затем, чтобы более полно изучить полученный материал, компания привлекала французских ученых из Университета Кан Нижняя Нормандия, которые воспроизвели полученные результаты на своих мельницах (менее энергонапряженных, что потребовало увеличения времени механической обработки от нескольких минут до нескольких часов) и получили соединение с такими же свойствами. 

— Мы показали, что ионы марганца могут участвовать в двухэлектронном окислительно-восстановительном процессе параллельно с ионами кислорода, причем при высоком напряжении, — отмечает исследовательница. — С помощью механохимии нужное соединение удалось синтезировать, во-первых, при комнатной температуре, без всякого нагрева, а во-вторых — в наноразмерном состоянии, и никакой деградации при его циклировании не происходило (хотя еще 15 лет назад считалось, что в литий-ионных аккумуляторах наноматериалы никогда не будут работать). 

Преимущество последних заключается в том, что они, с одной стороны, во много раз увеличивают площадь контакта с электролитом и значительно повышают скорость заряда-разряда аккумулятора. А с другой — позволяют задействовать в этом процессе весь объем частицы (когда она крупная, то внутренняя ее часть, как правило, не работает из-за диффузионных затруднений, то есть становится балластом и только увеличивает массу электрода). 

Сибирские ученые планируют продолжать сотрудничество с коллегами из французского университета в этом направлении и уже подали заявку на грант. Однако перед ними встает финансовая проблема: 

— Исследования в области литий-ионных аккумуляторов чрезвычайно наукоемкие. Мы используем около 15 современных физико-химических методов исследования, центры коллективного пользования, в том числе зарубежные, привлекаем ученых из разных институтов СО РАН и ДвО РАН. Как методы, так и материалы, необходимые нам для синтеза, являются очень дорогостоящими. 

По ее словам, в чрезвычайно быстро развивающейся области литий-ионных аккумуляторов, необходимой частью работы становится участие в международных конференциях. 

— Наши публикации востребованы. Они хорошо цитируются. Студенты и аспиранты побеждают во многих научных конкурсах. Так, месяц назад статья, опубликованная в Journal of Materials Chemistry A, выиграла в конкурсе им. А.Н. Фрумкина в МГУ. Удивительно при этом, что наша группа, имеющая максимальное число публикаций по литий-ионным аккумуляторам (причем в высокорейтинговых международных изданиях) в России, известная своими работами как в нашей стране, так и за рубежом, не может найти необходимой финансовой поддержки для продолжения своих исследований,  — резюмирует Нина Косова.

Фото: gensa