Литий-ионные аккумуляторы не знакомы разве что тем, кто проживает вдали от цивилизации: они используются в мобильных телефонах, ноутбуках и фотоаппаратах, а наиболее мощные перспективны для электротранспорта и даже аэрокосмической отрасли.

Сегодня в ходу, в основном, литий-ионные аккумуляторы третьего поколения, большинство из которых изготовлены на основе графита и феррофосфата лития. Чтобы быть на шаг впереди всех остальных разработчиков, учёные Ярославского университета им. П.Г. Демидова (совместно с Институтом физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН и Ярославским филиалом Физико-технологического института РАН) разрабатывают литий-ионные аккумуляторы сразу четвёртого поколения, обладающие существенно большей ёмкостью и имеющие большую мощность.

Работы по проекту, возглавляемые профессором ЯрГУ Александром Рудым, поддерживаются ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014–2020 гг.».

Большинство современных аккумуляторов изготавливаются по так называемым «намазным» технологиям — то есть на основе толстоплёночных электродов, имеющих большую поверхность соприкосновения с электролитом, благодаря чему размер и масса аккумулятора в целом невелики. Они способны работать на холоде и почти не разряжаются в отсутствие прямого расхода энергии. Однако ёмкость таких батарей ограничена удельной ёмкостью графита (372 мА*ч/г) и феррофосфата лития (150 мА*ч/г).

Разработка, предлагаемая учёными ЯрГУ, предполагает создание принципиально новых тонкоплёночных аккумуляторов на основе нанокомпозитов кремния и высших оксидов ванадия.

Новая электрохимическая система обладает высокой электроёмкостью и скоростью зарядки: это связано с ёмкостью кремния, теоретический предел которой составляет 4212 мА*ч/г, и пентоксида ванадия — 883.5 мА*ч/г. При этом изготавливать аккумуляторы четвёртого поколения придётся уже не по «намазным» технологиям, а с помощью технологий интегральной электроники методами вакуумного напыления.

Поэтому основные усилия коллектива разработчиков направлены на решение нескольких технологических проблем изготовления тонкоплёночных аккумуляторов: во-первых, при интеркаляции ионов лития (то есть во время токообразующей реакции) удельный объём кремния увеличивается втрое — и, как следствие, кремний разрушается; а во-вторых, создание однородной плёнки пентоксида ванадия пока не представляется возможным. При этом перезарядка аккумулятора с катодом из оксида ванадия (или, научными терминами, обратимое внедрение лития) возможно либо в очень тонких, либо в нанопористых плёнках.

«На данный момент мы пока единственные, кому удалось получить стабильно работающие и выдерживающие до 500 циклов зарядки и разрядки тонкоплёночные электроды, — рассказала Алёна Метлицкая, молодой учёный и участница проекта. — Можно считать это неким прорывом в области химических источников тока».

Работу по этой теме учёные ЯрГУ и научных институтов РАН ведут не первый год, поэтому только у студентов 3-го курса, которые совсем недавно приступили к работе по проекту, пока нет публикаций. У всех остальных учёных, трудящихся над разработкой, это количество варьируется от нескольких публикаций до нескольких сотен.

Кроме того, разработчики уже получили два патента на способы изготовления тонкоплёночных анода и катода и проводят теперь патентные исследования, чтобы выяснить охраноспособность новых технических решений. К таким решениям относятся разрабатываемые технологии литирования одного из электродов в процессе напыления и изготовления твердотельного электролита. Конечно, учёные заняты исключительно исследовательской и технологической частью проекта.

«Наша задача — разработка отечественной технологии изготовления литий-ионных аккумуляторов четвёртого поколения и передача технологии индустриальном партнёру», — поясняет Метлицкая.

Внедрением отечественных аккумуляторов в производство займётся коммерческо-индустриальный партнёр научного коллектива — ОАО «Сафоновский завод «Гидрометприбор» в Смоленской области, который сегодня производит барометры, самописцы и метеостанции.

Схема работы литий-ионных аккумуляторов на основе графита. При зарядке ионы лития перемещаются к катоду и интеркалируют (встраиваются) между слоями графита. Этот процесс обратим — при разрядке они перемещаются к аноду