Учёные Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта и Петербургского института ядерной физики (НИЦ «Курчатовский институт») выяснили, как измельчение и нагрев меняют свойства аморфного углерода — материала для отрицательных электродов аккумуляторов. Оказалось, что после измельчения и отжига при 800°C в нём формируются упорядоченные графеноподобные области. Это может улучшить характеристики батарей нового поколения. Результаты опубликованы в журнале Applied Magnetic Resonance.
Как отмечает эксперт Среднерусского института управления – филиала РАНХиГС Анастасия Власова, в современных литий-ионных аккумуляторах — от смартфонов до электромобилей — отрицательные электроды чаще всего делают из графита. Это недорогой материал с упорядоченным слоистым строением. Но у графита есть предел: его ёмкость составляет около 372 мА·ч/г, и этот потолок практически достигнут. Для устройств нового поколения нужны материалы, способные накапливать больше заряда.
Перспективная альтернатива — неупорядоченный (аморфный) углерод. В его структуре много дефектов и пустот, которые могут увеличить ёмкость. Некоторые разновидности такого углерода показывают ёмкость порядка 500 мА·ч/г — это заметно выше графита. Однако слишком сильная неупорядоченность имеет минус: материал быстрее разрушается при эксплуатации и хуже отдаёт заряд. Поэтому учёные ищут способ обработки, который даст высокую ёмкость и долговечность одновременно.
Что сделали исследователи?
Они использовали метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — точный инструмент, позволяющий заглянуть внутрь материала, не разрушая его. В экспериментах было три образца: исходный аморфный углерод, тот же углерод после измельчения и материал после измельчения и отжига при 800°C.
Результаты показали: исходный материал почти не имел пор и состоял из хаотично расположенных фрагментов графита. После измельчения он стал более рыхлым и пористым, но частично окислился. А вот в образце, который измельчили и нагрели до 800°C, начали формироваться упорядоченные области, похожие на графит.
Как пояснила одна из авторов исследования, «контролируя степень измельчения и температуру нагрева, можно целенаправленно создавать материал с нужными свойствами. Например, улучшить проводимость и стабильность анодов, что позволит делать аккумуляторы с большей ёмкостью и более длительным сроком службы».
Открытие имеет прямое практическое значение. «Сегодня перед разработчиками аккумуляторов стоит задача: увеличить ёмкость без потери срока службы. Графит близок к своему пределу, а аморфный углерод, несмотря на потенциал, страдает от деградации. Российские учёные показали, что частичное упорядочивание аморфного углерода позволяет найти баланс: материал сохраняет высокую ёмкость, но приобретает долговечность и эффективность отдачи заряда», - подчеркивает эксперт Анастасия Власова.
Это особенно важно для России, где развитие электротранспорта и накопителей энергии закреплено в стратегических документах. Создание более эффективных и долговечных накопителей энергии — одна из приоритетных задач научно-технологического развития.