Новый аккумулятор от петербургских ученых: безопаснее и быстрее литиевых в десять раз

Новости МирТесен

Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета разработали новый вид полимерных элементов питания. Аккумуляторы, созданные на их основе, заряжаются значительно быстрее, чем современные литиевые батареи, обладают устойчивостью к низким температурам и содержат небольшое количество веществ, представляющих угрозу для экологии. Кроме того, конструкция таких аккумуляторов исключает возможность возгорания или взрыва даже при несоблюдении условий эксплуатации.

Создание нового полимера, пригодного для производства катода аккумуляторной батареи с перспективными свойствами, потребовало трех лет. В данном описании представлены характеристики этого соединения и результаты лабораторных исследований представлены в рецензируемом журнале Chemistry Europe. Несмотря на то, что статья была опубликована несколько месяцев назад, широкая огласка отечественной разработки произошла лишь сейчас.

Как объясняетРуководитель научной группы, разработавшей данный материал, профессор кафедры электрохимии Санкт-Петербургского государственного университета Олег Левин. Изначальная задумка возникла еще в 2016 году. Он и его соратники приступили к созданию многообещающих полимерных электродов для литий-ионных аккумуляторов при финансовой поддержке Российского научного фонда. В итоге работы стало ясно, что у данных материалов существуют два пути развития: их можно использовать в качестве защитных слоев обычных батарей или же применять для активного накопления электричества в перспективных аккумуляторных устройствах.

В результате серии проверок с исключением нестабильных соединений коллектив российских ученых выработал эффективный прототип. Это представляет собой сложный полимер, в основу которого положена протяженная цепочка комплексов никеля и органических молекул – лигандов («сален», NiSalen). К микроскопической нити присоединяются нитроксильные фрагменты — органические радикалы, содержащие азот и кислород. Эти фрагменты характеризуются способностью к быстрым окислительно-восстановительным реакциям, благодаря чему они могут запасать или высвобождать энергию.

Следовательно, в новых аккумуляторных устройствах не применяются литиевые соединения, которые являются причиной высокого риска возгорания батареи при механических повреждениях, перегреве либо коротком замыкании. В качестве электрода ученые из Санкт-Петербургского университета использовали общепринятые решения на основе графита. Однако в будущем и этот компонент можно будет усовершенствовать, разработав более подходящий материал.

По результатам лабораторных испытаний, полимер, разработанный российскими специалистами, продемонстрировал выдающиеся характеристики. После двух тысяч циклов зарядки и разрядки он сохранил две трети своей изначальной емкости. Помимо повышенной безопасности, важным преимуществом новой разработки является ее устойчивость к температурным воздействиям. По словам Левина, такая батарея сохраняет свои свойства и эффективно функционирует даже при температурах до минус 40 градусов.

За получение чего-либо не приходится платить бесплатно. Использование металлов, более тяжелых, чем литий, приводит к тому, что удельная емкость данной ячейки на 30-40% меньше, чем у существующих аккумуляторов. Повысить этот показатель удастся, но значительных улучшений ожидать не стоит — фундаментальные законы химии и физики не подлежат изменению. Тем не менее, этот недостаток восполняется существенно более высокой скоростью зарядки – в десять раз быстрее, чем у литий-ионных аккумуляторов. В настоящее время исследователи разрабатывают методики промышленного производства нового полимера, и первые результаты ожидаются в течение года-двух.