Разработана технология создания более эффективных и долговечных аккумуляторов

Ученые Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта и Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова (входит в НИЦ «Курчатовский институт») выяснили, как измельчение и последующий нагрев меняют внутреннюю структуру аморфного углерода. Такой материал рассматривается как альтернатива графиту для отрицательных электродов литий-ионных аккумуляторов.

Литий-ионные аккумуляторы широко используются в телефонах, ноутбуках, электромобилях и другой современной технике. Отрицательные электроды (элементы, проводящие ток) в них чаще всего делают из графита — недорогого углеродного материала с упорядоченным слоистым строением. Перспективной альтернативой ему считается неупорядоченный углерод, в структуре которого есть множество дефектов и пустот, способных увеличить емкость аккумулятора. Однако слишком сильная неупорядоченность имеет свои недостатки — материал может быстрее разрушаться при эксплуатации и хуже возвращать накопленный заряд. Поэтому ученые стремятся найти оптимальный способ обработки углерода, который обеспечит максимальную способность накапливать и отдавать заряд.

В экспериментах авторы использовали три варианта образцов: первый — аморфный углерод сразу после синтеза; второй — тот же углерод, но после тщательного измельчения; третий — после измельчения и последующего отжига при 800 °С. Отжиг проводят для обработки многих материалов (в том числе углеродных), чтобы изменить их внутреннюю структуру и тем самым потенциально улучшить свойства.

С помощью метода ядерного магнитного резонанса ученые сравнили спектры полученных образцов и выяснили: исходный материал практически не имеет пор и состоит из хаотически расположенных фрагментов графита. После измельчения форма этих блоков сохранилась, однако материал стал более рыхлым и пористым. Из-за этого он активнее взаимодействовал с окружающей средой и частично окислился — приобрел в своей структуре группы, содержащие кислород и водород. Обнаруженные протонные сигналы позволили оценить размер появившихся пор.

В образце, который измельчили и нагрели до 800 °С, начали формироваться упорядоченные области, по структуре напоминающие графит. Авторы отмечают, что такое частичное упорядочивание дает материалу возможность одновременно иметь высокую емкость (которая характерна для неупорядоченного углерода), а также долговечность и эффективность отдачи заряда, свойственную графитовым структурам.

«Наше исследование показало, что контролируя степень измельчения и температуру нагрева аморфного углерода, можно формировать его структуру и целенаправленно создавать материал с нужными свойствами. Например, таким образом можно будет улучшить проводимость и стабильность анодов, что позволит создавать аккумуляторы с большей емкостью и более длительным сроком службы. В дальнейшем мы планируем на практике детально изучить, как упорядоченные структуры в аморфном углероде влияют на перенос ионов в аккумуляторах», — рассказала один из авторов исследования, профессор ОНК «Институт высоких технологий», руководитель лаборатории магнитно-резонансных методов исследования вещества БФУ имени Иммануила Канта, доктор физико-математических наук Галина Куприянова.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации