ИФХЭ РАН

Новости Масс-медиа Мы в СМИ Германий вместо графита в аноде литий-ионных аккумуляторов — с четырехкратным выигрышем по ёмкости

Германий вместо графита в аноде литий-ионных аккумуляторов — с четырехкратным выигрышем по ёмкости

03 июля 2021 In В центре событий
Германий вместо графита в аноде литий-ионных аккумуляторов — с  четырехкратным выигрышем по ёмкости Фото: Германиевый анод / предоставлено лабораторией процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН

Ученые лаборатории процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН совместно с коллегами из МИЭТ создали нановолокнистый анод из германия для литий-ионной батареи. Удельная емкость электрода составляет 1.3 Ач/г.

В обычных литий-ионных аккумуляторах отрицательные электроды (аноды) изготавливают из углеродных (графитоподобных) материалов. Предельная ёмкость графитного электрода составляет 0.37 Ач/г, что в 3 с лишним раза меньше, чем у германиевого.

Энергоемкость материала определяется количеством лития, которое может запасти активный материал аккумулятора. Графит способен внедрять в себя не более 1 атома лития на 6 атомов углерода, а германий - до 22 атомов лития на 5 атомов германия. Рассчитанная теоретически предельная емкость германия составляет, таким образом, 1.62 Ач/г — в 4,4 раза больше, чем у графита.

Казалось бы, замените графит на германий и получите заметный выигрыш в удельной энергии аккумулятора, ведь размер отрицательного электрода при неизменной ёмкости станет в 4.4 раза меньше?! Однако природа не терпит простых решений. Поскольку плотность лития во много раз меньше плотности германия (0.5 г/см3 против 5.46 г/см3), при внедрении лития в германий происходит сильное увеличение объёма, т.е. германий буквально распирает вошедшим в него литием, что приводит к разрушению (искрашиванию) электрода. Этой беды можно избежать, если использовать германий в виде нанообъектов, в частности, в виде нановолокон. Распирающей силы лития, вошедшего в волокно диаметром всего 20−50 нм, не хватит, чтобы это волокно разрушить.

Для производства нановолокон ученые ИФХЭ РАН и МИЭТ использовали метод электрохимического (гальванического) осаждения из водного раствора при комнатной температуре. Наночастицы германия осаждали на титановые подложки-тоководы размером 2 на 3 см и толщиной 50 мкм, на которые были нанесены точки (микродиски) из индия. При последующем гальваническом осаждении германий охотнее осаждается именно на этих микродисках, потому что при этом выигрывается энергия образования сплава индий-германий. Далее осадок германия растёт в виде стержня с диаметром, равным диаметру индиевого микродиска.

Изготовленные таким образом электроды показали очень обнадёживающие характеристики, открывающие дорогу в серьёзное производство. При комнатной температуре, средней нагрузке, стандартном времени заряда (когда аккумулятор полностью заряжается за 15 мин.), германий-содержащие электроды показали удельную ёмкость около 1.3 Ач/г, т.е 80% от теоретически возможной. При форсированном режиме эксплуатации (полный заряд за 2.5 мин) удельная ёмкость сохранялась на уровне 0.84 Ач/г (половина от предельной). Наконец, при охлаждении до температуры −50 оС электроды показали удельную ёмкость 0.25 Ач/г. Графитовые электроды при таких температурах вообще не способны к работе.

Литий-ионные аккумуляторы появились в 90-ых годах прошлого века и были тогда по-настоящему прорывной технологией: в одном литий-ионном аккумуляторе запасено столько же энергии, сколько в трёх никель-кадмиевых аккумуляторах такого же размера и веса.

Благодаря литий-ионным аккумуляторам стало возможным создание портативной электронной аппаратуры, включая мобильную связь. Все современные айфоны и смартфоны, все ноутбуки и планшеты, весь портативный беспроводной инструмент (от столярного до парикмахерского и от медицинского до спортивного) питаются от литий-ионных аккумуляторов. А в последнее время масштаб производства и применения литий-ионных аккумуляторов вырос настолько, что реальностью стали электромобили.

В лаборатории процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН продолжают совершенствование литий-ионных аккумуляторов. Однако научный интерес уже перемещается в сторону пост-литиевых систем, т. е. к аккумуляторам, которые придут на смену литий-ионным: натрий-ионным и литий-серным аккумуляторам.

Исследования проведены в рамках проекта Российского научного фонда № 20-79-10312.


По материалам: I.M. Gavrilin, Yu.O. Kudryashova, A.A. Kuz'mina, T.L. Kulova, A.M. Skundin, V.V. Emets, R.L. Volkov, A.A. Dronov, N.I. Borgardt, S.A. Gavrilov. High-rate and low-temperature performance of germanium nanowires anode for lithium-ion batteries. Journal of Electroanalytical Chemistry (2021), 888, 115209. DOI: 10.1016/j.jelechem.2021.115209

Материал подготовлен: Александр Скундин / Доктор химических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН
 
В других источниках: «Коммерсантъ». Наука 28/06/2021
Читать 334 times

Новостная рассылка

Чтобы быть в центре событий, присоединяйтесь к нашим новостям.

Наши контакты

Вы можете задать интересующий вопрос, удобным для Вас способом.

  • Тел.: +7 495 955 44 87

МЫ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ

Подписывайтесь на нас и следите за жизнью института.

Поиск

Яндекс.Метрика