Российские химики нашли новый класс материалов, который сможет ускорить разработку более безопасных в эксплуатации аккумуляторов для гаджетов, беспилотников и электромобилей. Более того, такие накопители энергии будут значительно дешевле существующих литий-ионных. Речь идет о мультивалентных металл-ионных батареях, для которых ученые подобрали 16 наиболее подходящих соединений. Эксперты уверены, что проделанные исследования существенно облегчают работу экспериментаторов по поиску новых материалов, однако необходима проверка на практике.
Энергия без взрыва
Мобильные телефоны и ноутбуки, беспилотные аппараты и электромобили — всё это стало возможным благодаря появлению литий-ионных аккумуляторов. Но запасы лития в земной коре не бесконечны, что приводит к постепенному удорожанию сырья, а кроме того, аккумуляторы литий-ионного типа имеют ряд серьезных недостатков — например, они плохо работают на холоде и склонны к возгоранию. Поэтому ученые ищут более дешевые, надежные и мощные источники энергии.
Одна из возможных альтернатив — мультивалентные металл-ионные аккумуляторы, например, магний-, цинк- или алюминий-ионные. Такие накопители привлекают внимание исследователей благодаря низкой удельной стоимости хранения энергии, что делает их перспективными для электротранспорта и систем возобновляемой энергетики. Однако сегодня развитие мультивалентных металл-ионных аккумуляторов сдерживается из-за отсутствия ключевых элементов таких накопителей — ионных проводников. Ученые из Самарского государственного технического университета совместно с коллегами проанализировали свыше 1,5 тыс. химических соединений. Они пропустили материалы через систему теоретических фильтров, работающую по принципу «от простого к сложному». Для каждого вещества химики рассчитали определенные характеристики. В итоге они отобрали 16 соединений, которые могут быть эффективными ионными проводниками.
Старший научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ) СамГТУ Артем Кабанов
Фото: СамГТУ/Зарина Беркимбаева
Среди отобранных веществ ученые выявили новый класс кристаллических материалов, которые обладают особенно высокой катионной проводимостью (способностью проводить электрический ток).
— Результаты нашей работы помогут ускорить разработку аккумуляторов нового поколения. С помощью теоретических методов мы смогли найти новые перспективные материалы. Наша следующая цель — синтезировать и экспериментально подтвердить характеристики найденных веществ, после чего можно будет собрать прототип, — рассказал «Известиям» руководитель гранта РНФ, старший научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ) СамГТУ Артем Кабанов.
В работе также приняли участие исследователи из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (Москва), Самарского государственного медицинского университета и Фрайбергской горной академии (Германия).
Общая схема проведенного теоретического анализа (справа вверху); результаты моделирования методом молекулярной динамики для перспективного цинк-ионного кристаллического проводника ZnLa3AlS7 (справа внизу) и его кристаллическая структура (слева)
Фото: Артем Кабанов
Вопрос совместимости
Металл-ионные аккумуляторы действительно перспективны, но материалы для них должны подходить друг другу, подтвердила «Известиям» эксперт рынка НТИ Энерджинет Екатерина Золотухина.
— Проблемы с изготовлением, кроме подбора материалов друг другу, состоит в том, что, как правило, либо электронная, либо ионная проводимость у них низкая. Кроме того, все твердые материалы, которые есть, склонны к фазовым переходам. На подбор удачных кристаллографических решений, изучение, подгонку этих соединений, проверку их на стабильность при циклировании и так далее может уйти несколько лет или десятилетий, — отметила она.
Судить о перспективности выявленных веществ без практической проверки, то есть синтеза, экспериментального измерения всех рассчитанных параметров, проверки воспроизводимости результатов, достаточно рано. Однако нельзя отрицать ценность подобных исследований, так как они существенно облегчают работу экспериментаторов по поиску новых материалов, которые можно было бы использовать в составе новых электрохимических накопителей, рассказал «Известиям» ведущий специалист отдела исследований и разработок ООО «Инэнерджи» Виктор Визгалов.
— Наиболее активно научно-техническое сообщество занимается натрий-ионными аккумуляторами, однако ведутся работы и в области алюминий-, цинк- и магний-ионных систем. Большинство этих аккумуляторов находятся на очень низком уровне готовности технологий и работы по этой тематике носят скорее поисковый характер, — пояснил эксперт.
По его словам, основным препятствием для создания таких батарей можно назвать отсутствие материалов положительного и отрицательного электрода, а также возможных вариантов жидкого или твердого электролита. В силу некоторых особенностей ученым еще предстоит найти возможные соединения, способные не только запасать энергию, но и обладающие достаточной для практического применения электронной и ионной проводимостью.
Результаты исследования самарских ученых, поддержанного грантом президентской программы Российского научного фонда, опубликованы в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.
