08.11.2019
Литий-ионные батареи сегодня широко используются в электронной технике, их общий мировой рынок — 5 млрд шт. Такие аккумуляторы — обязательный атрибут каждого смартфона, ноутбука, планшета, фотоаппарата и электромобиля. Главными компонентами батарей являются электроды: отрицательно заряженный анод и положительно заряженный катод. Катодный материал (соль лития) помещают на алюминиевую фольгу, а анодный (графит) — на медную. При этом электрический ток создается за счет движения заряженных частиц: ионов (атомов без электронов) лития к катоду и электронов к аноду. Когда все частицы достигают нужного им электрода, аккумулятор разряжается. При подключении аккумулятора к розетке частицы вновь способны передвигаться и создавать ток.
В аккумуляторах используют графит, потому что у него слоистая структура, каждый слой напоминает сеть, которая ловит заряженные частицы. Чем больше ионов и электронов сможет поймать такая ловушка, тем большей энергоемкостью будет обладать батарея. Но увеличить число пойманных графитом частиц, увеличивая его массу, нельзя — в этом случае батарея будет слишком большой. Поэтому графит в составе батарей сейчас пытаются заменить производными соединениями германия и кремния, и у некоторых из них энергоемкость до 5 раз больше, чем у графита.
В использовании германия в качестве анодного материала есть свои нюансы. Такой материал может сильно деформироваться из-за постоянного повторения цикла зарядки-разрядки, а это приводит к быстрому износу батареи. Решением проблемы может стать нанесение германия в виде наночастиц на поверхность анода и таким образом предохранить материал от деформации. Однако тут возникает новая проблема. Процесс получения наночастиц сейчас включает в себя применение очень токсичных и летучих соединений — галогенпроизводных (хлоридов, фторидов, йодидов). Как правило, используется хлорид германия, но именно хлор в составе соли делает ее опасной для окружающей среды и человека. Поэтому наладить масштабное производство анодов из германия до сих пор не удавалось.
«Наши исследования направлены на разработку новых, пригодных к практической реализации, экологически безопасных, простых и высокоэффективных методов получения наночастиц германия высокой степени чистоты. С их помощью можно увеличить энергоэффективность литий-ионных батарей. Разработанный метод электроосаждения наночастиц из цитрата германия — это результат нескольких лет серьезной работы», — сообщает руководитель проекта Михаил Сыроешкин, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института органической химии имени Н. Д. Зелинского.
Московские ученые предлагают использовать метод электроосаждения без участия токсичных галогенпроизводных, таких как хлорид германия. Вместо него исследователи использовали для получения наночастиц цитрат германия. Возможно, такой экологически чистый способ получения наночастиц в дальнейшем будет использован в масштабном производстве батарей.
В исследовании участвовали также сотрудники Université de Rennes 1 (Франция) и Сколковского института науки и технологии Skoltech. Результаты опубликованы в журнале GreenChemistry.
Иллюстрация: Евгения Саверина
Нет комментариев