Сэндвич с графеном

Ученые смоделировали улучшенный материал для катода — положительно заряженного элемента, проводящего ток в литий-ионных батареях. Предложенная структура похожа на сэндвич и состоит из слоев оксида кобальта с литием и графена. Авторы полагают, что материал может в 1,6 раза увеличить скорость зарядки аккумулятора и в 5 раз повысить его емкость по сравнению с аналогами. Он не теряет своих свойств при сильном нагреве и охлаждении, а потому может лечь в основу более долговечных и безопасных аккумуляторов электромобилей, телефонов и ноутбуков.

Работу литий-ионного аккумулятора можно сравнить с челночным бегом. При зарядке от положительного элемента батареи (катода) ионы лития «бегут» к отрицательному аноду, а при разрядке возвращаются обратно. При этом, чем быстрее ионы присоединяются к материалу катода и отсоединяются от него, тем быстрее заряжается и разряжается батарея. Чем больше ионов способен «накопить» катод, тем выше емкость аккумулятора.

Чаще всего этот элемент делают из оксида кобальта с литием. Хотя такой материал изначально обладает высокой емкостью, он быстро разрушается и теряет свои свойства при слишком высоких и низких температурах, а также при частой зарядке и разрядке. Поэтому, чтобы сделать аккумуляторы электромобилей, ноутбуков и телефонов долговечнее и надежнее, ученые стремятся найти наиболее совершенный материал для катода.

Исследователи из Саратовского национального исследовательского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского (Саратов) с помощью компьютерного моделирования предсказали улучшенный материал, по строению напоминающий сэндвич, который можно использовать для изготовления катодов.

В его основе лежит традиционный оксид кобальта с литием, к которому добавлен тонкий слой графена — листа из углерода толщиной в один атом. Авторы выбрали именно графен, поскольку он хорошо проводит ток и имеет высокую прочность, которая убережет катод от преждевременного разрушения.

С помощью квантово-химических методов авторы рассчитали характеристики смоделированного материала и нашли оптимальное количество слоев оксида кобальта с литием и графена. Ученые протестировали варианты, в которых соотношение этих компонентов по массе менялось от 1:1 (равное количество оксида и графена) до 8:1 (оксида в восемь раз больше, чем графена).

Оказалось, что структура, в которой оксида кобальта с литием по массе было в восемь раз больше, чем графена, обеспечивает наилучшее перемещение ионов — в 1,6 раза быстрее, чем в чистом оксиде кобальта с литием. Это значит, что на зарядку такого образца будет уходить гораздо меньше времени. Кроме того, емкость этого материала повысилась более чем в пять раз, и она не падала даже при охлаждении до −40 °С и нагреве до 80° С.

Владислав Шунаев и Александр Петрунин обсуждают диффузию ионов атомов лития

Владислав Шунаев / из личного архива

Авторы предполагают, что дальнейшее увеличение количества оксида кобальта с литием по отношению к графену (до соотношения 9:1 и более) может дополнительно улучшить емкость материала, но в то же время ухудшить его прочность и скорость перемещения ионов. Однако достоверно оценить свойства этих вариантов еще предстоит в будущем.

«Наше исследование приближает появление смартфонов и ноутбуков, которые заряжаются за минуты и работают дни без подзарядки, а также электромобилей с запасом хода, сравнимым с бензиновыми авто, и безопасных даже в экстремальных климатических условиях. В дальнейшем мы планируем проанализировать квантовую емкость сэндвича на основе графена и оксида кобальта с литием в процессе отсоединения от него ионов лития, то есть с учетом изменения состава. Такой анализ может утвердить возможность использования предложенного материала в качестве основы для катодов в суперконденсаторах, способных быстро отдавать заряд, и ионно-литиевых батареях, способных накапливать много заряда», — рассказывает руководитель проекта Владислав Шунаев, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры радиотехники и электродинамики Саратовского национального исследовательского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Energy Storage.

По материалам пресс-службы РНФ