Честной анод: ученые предложили экологичную замену литиевым аккумуляторам
Ученые в РФ создали перспективный материал, который позволит в полтора-два раза увеличить емкость аккумуляторов. Также он дает возможность увеличить срок эксплуатации батарей и быстрее восстанавливать заряд накопителей энергии. К преимуществам разработки относится возможность ее утилизации без ущерба для природы. Эксперты считают, что предложение ученых поможет создать альтернативу наиболее распространенным на сегодняшний день литий-ионным батареям в широком спектре устройств — от автономных гаджетов до электромобилей.
Батареи нового поколения
Перспективный материал для накопителей энергии нового поколения создали ученые из Казанского федерального университета совместно с коллегами из Ирана. Разработка поможет создать альтернативу наиболее распространенным на сегодняшний день литий-ионным батареям для широкого спектра технических устройств — от автономных гаджетов до электромобилей.
Как рассказали исследователи, материал представляет собой сложное органическое соединение со специальными примесями. Оно образует высокопористую структуру, которая обладает способностью притягивать и удерживать частицы. Эти свойства дают возможность использовать материал для изготовления анода — отрицательного электрода в аккумуляторах.
— Ионы играют ключевую роль для накопления и передачи энергии. Во время работы батареи они перемещаются от анода к катоду, то есть от положительно полюса к отрицательному, высвобождая электроны, которые образуют электрический ток. Затем при зарядке устройства ионы возвращаются обратно к аноду. От его способности удерживать ионы зависит емкость аккумулятора. Чем больше электрод удерживает заряженных частиц, тем больше энергии способна накопить батарея, — пояснила один из авторов разработки, ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Компьютерный дизайн новых материалов и машинное обучение» Института физики КФУ Ирина Гумарова.
Она отметила, что исследование выполнялось методом компьютерного моделирования с опорой на теорию функционала плотности, которая нацелена на определение оптимальной структуры вещества, что позволяет предсказать его свойства.
По словам специалиста, в ходе научной работы было показано, что в порах предложенного материала может накапливаться больше количество ионов металлов, которые подходят для окислительно-восстановительных реакций. Причем таким веществом может быть не только литий, который используется в большинстве современных аккумуляторов, но и другие металлы. Например, магний, натрий или цинк.
Такая вариативность расширяет элементную базу возобновляемых источников питаний и снижает отрасли производства накопителей энергии от дефицитного лития, сказали разработчики.
Батареи, сконструированные на основе предложенного материала, по своей удельной емкости могут в 1,5–2 раза превзойти существующие аналоги, отметила Ирина Гумарова. В частности, расчеты показали, что в 1 г такого вещества может накапливаться более 500 мАч энергии, тогда как для наиболее распространенных в настоящее время анодных электродов на основе графита этот показатель в среднем равен 150–200 мАч. Помимо этого, новое соединение будет выдерживать больше циклов зарядки-разрядки и ускорит процесс восстановления энергии по сравнению с современными устройствами.
Вместе с тем, обратила внимание Ирина Гумарова, органическая природа предложенного соединения делают технологию перспективной с точки зрения охраны окружающей среды. Такие электроды смогут самостоятельно разложиться на безопасные для природы компоненты, что решает задачу с утилизацией аккумуляторов. Это актуально, поскольку в контексте развития экологически чистых методов получения энергии важно создавать и безвредные системы для ее хранения.
Экологичное хранение энергии
Следующие этапы внедрения разработки — определение в лабораторных условиях оптимальных методов получения нового материала, затем проектирование технологической линии для его производства и запуск серийного изготовления комплектующих для накопителей энергии.
— Ожидается, что до конца десятилетия спрос на аккумуляторы увеличится в пять-шесть раз по сравнению с текущими потребностями. Поэтому создание альтернативных накопителей энергии с более доступными и дешевыми металлами, которые используют в качестве подвижных ионов, — это первоочередная задача. Материал, предложенный специалистами из КФУ, может стать эффективной заменой для литий-ионных аккумуляторов, — считает сотрудник Проектного центра по энергопереходу и принципам устойчивого развития Илья Чепкасов.
Он отметил, что компьютерное моделирование удобно тем, что дает возможность оперативно и достоверно прогнозировать еще не изученные соединения и оценить их физические и химические свойства. При этом нужно иметь в виду, что и в этих методах существует вероятность некорректного предсказания, которое варьируется в диапазоне нескольких процентов. Поэтому, если в результате расчетов ученые определили перспективный материал, то это не значит, что он будет запущен в производство в ближайшее время, поскольку процесс синтеза и создания прототипа предсказанного вещества довольно сложный и может занимать годы.
— Метод, который использовали специалисты, широко применяется для расчета электронной структуры молекул. Однако нужно учесть, что любая модель формируется на основе известных данных, тогда как условия в действительности могут отличаться от теоретических. Поэтому несоответствие расчетного прототипа и реального вещества могут быть значительны, — отметила доцент департамента экологической безопасности и менеджмента качества продукции Института экологии Российского университета дружбы народов имени П. Лумумбы Татьяна Ледащева.
По ее мнению, при проектировании химических соединений стоит разрабатывать несколько сценариев.
Эксперт выразила надежду, что ученым удастся создать эффективный биоразлагаемый материал. При этом следует иметь в виду не только аноды, но и остальные части батарей, которые также подлежат утилизации. Поэтому в процессе производства аккумуляторов важно заранее продумывать весь их жизненный цикл.
