Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов

Учёные Института физики Казанского федерального университета и их зарубежные коллеги предложили новые материалы, которые могут стать экологичной и энергоэффективной альтернативой традиционным анодным материалам металл-ионных аккумуляторов.

В связи с использованием ископаемого топлива, ищут чистые и возобновляемые источники энергии: солнечную, геотермальную энергию, биомассу, а также гидро-, приливно-отливные и ветровые. Но «зелёная» энергетика ограничена и зависит от внешних условий, поэтому важно разработать эффективные системы хранения энергоносителей.

Современные гибридные автомобили и портативная электроника работают на аккумуляторах высокой мощности.

Особенно популярны металл-ионные аккумуляторы, в частности литиевые. Они компактные и имеют много преимуществ: высокую энергоплотность, долгий срок службы, большое напряжение, медленный саморазряд.

Однако необходимо найти более экологичные альтернативы традиционным неорганическим электродам. Также учёные ищут материалы с большей ёмкостью и сроком службы.

Учёные Казанского университета предложили использовать оксотриарилметил, солегированный гетероатомами (B/N/P@oxTAM), в качестве материала для металл-ионных батарей.

Ирина Гумарова из Института физики КФУ отмечает, что

этот материал имеет увеличенный жизненный цикл и высокую скорость заряда–разряда благодаря низкому напряжению холостого хода и диффузионному энергетическому барьеру, а также высокой теоретической удельной ёмкости.

С помощью компьютерного моделирования, основанного на теории функционала плотности, изучили структуру и свойства материала B/N/P@oxTAM.

Оказалось, что это высокопористый материал с высокой адсорбционной способностью. Также определили его парциальную плотность состояний, напряжение холостого хода, теоретическую удельную ёмкость и диффузионный энергетический барьер.

Удельная ёмкость составила 513,75 мАч/г, а напряжение — 0,07 В.

Нанолист C3N3 с присоединёнными тиофеновыми группами тоже имеет похожие свойства, — добавила она. Благодаря своим характеристикам (высокая теоретическая удельная ёмкость, небольшой диффузионный барьер и низкое рабочее напряжение) соединение может использоваться в производстве литий-ионных аккумуляторов.

Это соединение — ковалентный триазиновый каркас. За последние пару лет в разработке материалов для металл-ионных аккумуляторов этот класс соединений стал популярным благодаря уникальному сочетанию свойств. Триазиновые связи обеспечивают стабильность, а открытые каналы и большие межслойные пространства улучшают электрохимические характеристики.

Применение этих материалов в металл-ионных аккумуляторах ограничено из-за низкой растворимости в апротонных электролитах и недостаточной проводимости. Кроме того, ёмкость батареи ограничена из-за небольшого количества активных позиций для адсорбции атомов металлов.

Мы ищем новые материалы с помощью компьютерного моделирования различных модификаций структуры и состава ковалентных органических каркасов. Это позволит решить существующие проблемы. Например, мы предполагаем использовать допирование, замещение частей структуры, присоединение дополнительных функциональных групп и создание композитов с другими материалами.

Эти изменения могут улучшить возможности электрохимического хранения энергии и электрохимические свойства материала.

Исследования провели учёные Казанского федерального университета: Садегх Кавиани, Ирина Гумарова и доцент кафедры общей физики Олег Недопёкин. Руководил исследованием первый проректор КФУ Дмитрий Таюрский.

В исследовании также участвовали иранские учёные: Резван Рахими (Университет Арак) и Ехсан Шакерзадех (Университет Шахида Чамрана).

Результаты опубликованы в журналах Journal of Power Sources и Inorganic Chemistry Communications.

18.07.2024