Быстроразвивающаяся отрасль производства электромобилей рано или поздно столкнется с дефицитом лития — ключевого элемента для электрохимических аккумуляторов. Ученые ЮФУ предложили метод получения катодного материала на основе фторида железа с использованием разрабатываемых в нашем университете уникальных нанопористых веществ – метал-органических каркасных структур MIL-88.

Сейчас исследования в области разработки новых, обладающих уникальными характеристиками, материалов для электрохимических систем становятся еще более актуальными в связи с лавинообразным началом замены бензиновых автомобильных двигателей на электрические, и повсеместным распространением электронных гаджетов.

«В связи с тем, что количество лития, который в настоящее время является наиболее важным компонентом современных аккумуляторов, на нашей планете ограничено, разработка материалов, обладающих значительно большей емкостью для хранения электрической энергии и возможностью более эффективного применения лития (используя широко распространенные на Земле элементы – железо и фтор) является безусловно востребованным направлением развития исследований и разработок», – рассказал научный руководитель направления ЮФУ, профессор МИИ ИМ ЮФУ Александр Солдатов.

Ученые Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ провели исследование, в ходе которого предложили новый, простой и масштабируемый метод производства конверсионного катодного материала на основе фторида железа. Благодаря конверсионной электрохимической реакции удается получить ту же величину емкости электрической энергии для значительно меньшей массы катодного материала.

В отличие от ранее известных способов получения подобных материалов, разработанный в ЮФУ метод подразумевает, что один из компонентов для производства катода – металл-органический каркас MIL-88A (фумарат железа) – синтезируется в водной среде без каких-либо токсичных добавок, что говорит о минимальном вреде окружающей среде. Полученный материал был применен в качестве катода для литий-ионного аккумулятора и показал хорошую стабильность и высокую емкость.

Схема синтеза FeF 2 / ©Пресс-служба ЮФУ

«Фторид железа не заменит литий в аккумуляторах, однако конверсионные катодные материалы позволяют создавать более эффективные аккумуляторы и, таким образом, эффективнее этот литий применять. Сам конверсионный катодный материал обладает существенно более высокими (практически вдвое) показателями удельной емкости и плотности энергии, чем существующие коммерчески-применяемые классические (интеркаляционные) материалы. Помимо этого, разработанный метод синтеза является достаточно простым, масштабируемым и более экологически безопасным», – пояснил младший научный сотрудник Международной исследовательской лаборатории нанодиагностики МИИ ИМ ЮФУ Виктор Шаповалов.

Исследователи также выяснили ключевые особенности и отличия конверсионных электрохимических реакций, протекающих в процессе работы катодного материала, полученного по новой методике.

«Уникальной чертой данного исследования является разработка методики синтеза наноструктурированного материала, обладающего уникальными характеристиками, которые появляются благодаря использованию в технологии синтеза получаемого в нашей лаборатории материала MIL-88, обладающего необычными свойствами. В частности, содержащим упорядоченные массивы наноразмерных пор», – отметил Александр Солдатов.

Полученные результаты, опубликованные в научном журнале Journal of Alloys and Compounds, лягут в основу инновационных проектов ЮФУ в области развития новых высокоэффективных конверсионных электрохимических литий-ионных аккумуляторов.

Работа выполнялась в рамках государственного задания по проекту «Новые функциональные наноматериалы для применения в каталитических процессах и в технологиях для хранения и преобразования энергии», а также для реализации стратегического проекта ЮФУ «Экспресс-дизайн материалов» в рамках Программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» (нацпроект «Наука и университеты»).