Забыть о подзарядке. Энергоэффективность аккумуляторов резко возрастет.

— Литий-ионные аккумуляторы используются для преобразования химической энергии связи атомов лития в энергию электрического тока, — рассказывает Александр Александрович. — Они питают мобильные телефоны, ноутбуки, электромобили. Когда аккумулятор заряжается от розетки, то ионы лития “заставляют” выходить из катода и переходить в анод (обычно используется графит). Когда он работает, происходит обратный процесс — литий из графита возвращается обратно в катод, а во внешней цепи вырабатывается полезная мощность. Энергетическая эффективность ископаемого топлива (например, бензина, дизельного топлива, извлеченного из природного газа водорода) примерно в 100 раз выше, чем у современных материалов для литий-ионных батарей. Поэтому продолжаются поиски новых видов катодных материалов, способных накапливать большее количество энергии на единицу массы. 

— Конверсионные материалы, в которых ионы лития вступают в химическую реакцию, теоретически способны в ходе реакции накапливать и передавать в три раза больше электрической энергии, чем используемые в настоящее время так называемые интеркаляционные материалы, в которых атомы лития накапливаются в порах. Это, можно сказать, следующее поколение катодных материалов высокой емкости. В конверсионных материалах в качестве металла используют, как правило, 3d переходные металлы (железо, марганец, кобальт). Фториды железа особенно интересны, так как имеют самую высокую емкость. Кроме того, они нетоксичные, экологически чистые и дешевые в производстве.

— Главная проблема конверсионных материалов — их подверженность деградации при многократном циклировании. Наиболее плодотворными методами исследования процессов, происходящих с материалом при зарядке-разрядке, считается неразрушающая рентгеновская спектроскопия. Цель нашего нынешнего проекта — создание универсальной лабораторной ячейки для мониторинга таким способом реакций интеркаляции и конверсии композитов, используемых в качестве катодных материалов. Конструкция ячейки дает возможность измерять одновременно дифрактограммы, спектры рентгеновского поглощения и Мессбауэра. Эти три метода дополняют друг друга и позволяют однозначно охарактеризовать материал внутри батарейки в любой момент времени. С помощью дифракции мы будем следить за кристаллической структурой вещества — дальним порядком в расположении атомов. Это особенно важно для интеркаляционных материалов, в которых кристаллическая решетка должна сохраняться во время заряда-разряда. С помощью спектров рентгеновского поглощения и Мессбауэра мы будем отслеживать зарядовое состояние атомов металла. Когда литий входит внутрь катодного материала, степень окисления металла в нем изменяется. Например, ион трехвалентного железа сначала переходит в двухвалентное состояние, а потом и в нейтральное (при разрядке фторида железа). Это важно для анализа всех этапов работы аккумулятора, в том числе и его деградации. В промышленных устройствах используется только узкий диапазон цикла зарядки-разрядки. Это необходимо для того, чтобы материал мог выдержать как можно больше циклов. Таким образом, в экспериментах мы будем выявлять активные и неактивные составляющие композита, возможные причины деградации всего материала. Затем вносить корректировки в процесс его синтеза. Эту методику мы уже в ближайшем будущем планируем проверить на практике, при синтезе новых эффективных конверсионных композитных материалов на основе фторидов 3d переходных металлов для литий-ионных аккумуляторов.

— Главными критериями при создании стенда были его простота и удобство в использовании. Он должен быть компактным, чтобы поместиться в лабораторный спектрометр. Нам приходится решать не только фундаментальные, но и технологические задачи. Например, материал окошек для ячейки должен быть электропроводящим и одновременно прозрачным для рентгена, при этом герметично соединен с корпусом и не разлагаться под воздействием электролита. Мы нашли готовое решение в Германии, где производят стеклоуглерод толщиной менее 100 микрон и обрабатывают его по заданным размерам. Конструкцию всей ячейки придумывали сами со студентами, задействованными в проекте. Отдельной проблемой было найти мастерскую, где изготавливают детали с необходимой точностью.

Для работы нам требуется большое количество исследовательского оборудования. Основная его часть находится в Международном исследовательском центре “Интеллектуальные материалы”, где и выполняется проект. Это единственный в России лабораторный спектрометр рентгеновского поглощения Rigaku R-XAS, дифрактометр, анаэробная камера. Исследования на Мессбауэрском спектрометре проводим в сотрудничестве с НИИ физики ЮФУ.

Мы разработали программное обеспечение для циклирования аккумулятора. Летом создали прототип ячейки, на котором отработали процесс его сборки и выявили недостатки. Сейчас идет процесс изготовления первой работающей модели. Параллельно мы проводим рентгеноспектральные исследования катодных материалов, но не в режиме реального времени, а после разборки аккумулятора на определенных этапах его работы. Эти исследования ведутся совместно с нашими коллегами из Технологического института города Карлсруэ (Германия).

В нашем проекте активное участие принимают двое студентов — в рамках работы над дипломами бакалавра и магистра: Юрий Русалев и Виктор Шаповалов. Для них это первый опыт создания исследовательского оборудования. Они очень увлеклись проектом, сами предлагают новые конструкторские решения и участвуют в исследованиях — от измерений спектров до синтеза материалов.

— В самых разных аккумуляторах: и с высокой емкостью, не требующих высоких пиковых значений тока заряда или разряда, и тех, что найдут применение в мобильных устройствах. Будут даже домашние аккумуляторы, заряжающиеся от источников альтернативной энергии и питающие бытовые приборы в непрерывном режиме.