Они безвредны для окружающей среды и более энергоэффективны.
Учеными Института физики Казанского федерального университета и их зарубежными коллегами предложены структуры новых материалов оксотриарилметила, солегированного гетероатомами (B/N/P@oxTAM), и нанолиста C3N3, функционализированного тиофеном, которые могут стать экологичной и более энергоэффективной альтернативой традиционным анодным материалам металл-ионных аккумуляторов. Исследования были проведены в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет–2030».
В контексте актуальных проблем, связанных с использованием ископаемого топлива, ведется поиск чистых и возобновляемых альтернатив – это солнечная, геотермальная энергия, биомасса, а также гидро-, приливно-отливные и ветровые источники. Однако ввиду ограниченности «зеленой» энергетики и ее зависимости от внешних условий чрезвычайно важным становится вопрос разработки эффективных систем хранения энергоносителей.
Современные гибридные автомобили и портативная электроника работают на высокомощных аккумуляторах. Такими являются металл-ионные аккумуляторы, в особенности литиевые. Они небольшого размера и обладают конкурентными характеристиками – высокой энергоплотностью, длительным сроком службы, высоким напряжением, низкой скоростью саморазряда. Несмотря на то что металл-ионные аккумуляторы в настоящее время являются наиболее часто используемыми устройствами накопления энергии, использование в них традиционных неорганических электродов требует поиска более устойчивых и безвредных для окружающей среды альтернатив. Кроме того, перед учеными стоит задача поиска материалов с большей эффективной емкостью и увеличенным сроком службы.
Так, в качестве жизнеспособного анодного материала для металл-ионных батарей учеными Казанского университета был предложен оксотриарилметил, солегированный гетероатомами (B/N/P@oxTAM).
Ведущий научный сотрудник НИЛ «Компьютерный дизайн новых материалов и машинное обучение» Института физики КФУ Ирина Гумарова отмечает, что благодаря низкому напряжению холостого хода и диффузионному энергетическому барьеру, а также высокой теоретической удельной емкости, материал имеет увеличенный жизненный цикл и высокую скорость заряда–разряда.
«Исследование структуры и свойств происходило с использованием компьютерного моделирования, основанного на теории функционала плотности. В работе было показано, что B/N/P@oxTAM представляет собой высокопористую структуру и имеет высокую адсорбционную способность. Также были рассчитаны и изучены для этого соединения его парциальная плотность состояний, напряжение холостого хода, теоретическая удельная емкость и диффузионный энергетический барьер. И было показано, что предложенный анодный материал имеет высокую теоретическую удельную емкость 513,75 мАч/г и низкое напряжение холостого хода, равное 0,07 В», – комментирует Гумарова.
Схожими свойствами обладает и нанолист C3N3, к которому присоединены тиофеновые группы, добавила она. Благодаря превосходным характеристикам – высокой теоретической удельной емкости, небольшому диффузионному барьеру и низкому рабочему напряжению – соединение может использоваться в производстве литий-ионных аккумуляторов.
«Это соединение относится к классу так называемых ковалентных триазиновых каркасов. Последние пару лет в области разработки материалов для металл-ионных аккумуляторов этот класс соединений стал особо популярен благодаря уникальному сочетанию свойств. Так, их жесткие триазиновые связи обеспечивают химическую и физическую стабильность, а наличие одномерных открытых каналов и больших межслойных пространств улучшает электрохимические характеристики, – рассказывает И. Гумарова. – Несмотря на многочисленные преимущества, их применение в металл-ионных аккумуляторах осложняется такими проблемами, как низкая растворимость в апротонных электролитах и недостаточная проводимость. Кроме того, ограниченное количество активных позиций для адсорбции атомов металлов в структуре ограничивает доступную емкость батареи, что влияет на эффективность их использования. В рамках наших исследований мы осуществляем поиск новых материалов с помощью компьютерного моделирования различных модификаций структуры и состава ковалентных органических каркасов с целью преодоления перечисленных выше проблем. Так, например, для повышения растворимости, пористости, проводимости и увеличения количества адсорбционных позиций для атомов металлов предполагается допирование, замещение частей структуры, присоединение дополнительных функциональных групп и создание композитов с другими материалами. Такие модификации структуры могут не только дополнительно улучшить возможности электрохимического хранения энергии, но и предоставляют перспективы для улучшения электрохимических свойств материала в целом».
Отметим, что исследования были выполнены учеными Казанского федерального университета – ведущими научными сотрудниками НИЛ Садегхом Кавиани, Ириной Гумаровой, доцентом кафедры общей физики Олегом Недопекиным под руководством первого проректора – проректора по научной деятельности КФУ, заведующего кафедрой общей физики Дмитрия Таюрского совместно с иранскими коллегами – доктором Химического факультета Университета Арак (Маркази, Иран) Резваном Рахими, профессором Химического факультета Университета Шахида Чамрана в Ахвазе (Хузестан, Иран) Ехсаном Шакерзадехом.
Результаты опубликованы в журналах Journal of Power Sources и Inorganic Chemistry Communications. Отметим, что работа привлекла внимание научного сообщества и была включена в новостной агрегатор Green Car Congress.