Исследователи из Центра энергетических технологий Сколтеха предложили использовать простой и масштабируемый метод для увеличения емкости широкого спектра катодных материалов для металл-ионных аккумуляторов. Результаты работы могут быть полезны для разработки нового поколения передовых перезаряжаемых устройств хранения энергии.

Исследование опубликовано в журнале Journal of Materials Chemistry A.

Создание современных литий-ионных аккумуляторов стало возможным благодаря нескольким важным научным достижениям. Одним из этих достижений, сделанных лауреатом Нобелевской премии Джоном Гуденафом, была разработка катодных материалов, содержащих обратимо экстрагируемые ионы лития.

Применение этих материалов позволило уйти от использования небезопасных анодов, таких как металлический литий. Однако такие проблемы, как ограниченная емкость, посредственная стабильность при циклировании, низкая скорость заряда-разряда, плохое влияние на экологию и так далее, все еще требовали решения. В течение десятилетий ученые прилагали большие усилия для разработки улучшенных материалов для аккумуляторов. В результате было предложено множество катодных материалов с привлекательными свойствами.

Однако аккумуляторы, в которых такие материалы применяются, зачастую могут достичь максимально возможной энергоемкости только при использовании небезопасных, имеющих высокую реакционную способность анодов, содержащих экстрагируемые катионы. Причиной этого является недостаток мобильных ионов металлов в катодах. Эта проблема приводит к понижению емкости и во многих случаях затрудняет практическое использование материалов, привлекательных в иных отношениях.

Аспирант Сколтеха Роман Капаев под руководством профессора Кита Стивенсона показал, как эту проблему можно решить для широкого спектра материалов. Для этого было предложено обрабатывать катоды растворами восстанавливающих агентов, представляющих соли щелочных металлов, полученных из ароматических соединений, например нафталина или феназина.

Важное преимущество подхода — его масштабируемость. Процесс не требует сложных условий и относительно безопасен. К тому же восстанавливающие агенты после реакции с катодами могут быть использованы повторно, так как их редокс-химия обратима. Эти достоинства делают метод перспективным для крупномасштабного производства.

Подход можно применять для широкого спектра органических и неорганических материалов для аккумуляторов. Более того, он оказался применимым не только для литий-ионных, но и для натрий- и калий-ионных аккумуляторов, потенциально более дешевых и привлекательных с точки зрения устойчивого развития устройств для хранения энергии. Была показана возможность контролировать содержание ионов металлов в катодах посредством изменения количества восстанавливающих агентов или их потенциалов окисления.

«Подход можно рассматривать как мощный набор инструментов, который имеет смысл использовать для улучшения характеристик разнообразных материалов для аккумуляторов», — комментирует работу Роман Капаев, — Это также простой и недорогой метод, использующий перерабатываемые реагенты, поэтому мы думаем, что он подходит для практических крупномасштабных применений».