Научные достижения химического факультета
16.12.2022
Ученые МГУ и Сколково узнали, как работает
новый анодный полимер для быстрой зарядки
Даниил Новичков
Химики МГУ разгадали принцип работы нового полимерного материала для анода
Научная
группа Химического факультета МГУ совместно с учеными из Сколковского института
науки и технологий впервые подробно исследовала новый материал для анода на
основе органического соединения никеля. Полученные
результаты позволяют описать механизм работы анода и создать материалы для
безопасных батарей с быстрой зарядкой. Исследование выполнено в
мегагрант-лаборатории в рамках нацпроекта "Наука и университеты" и опубликовано
в журнале Chemical Science.
Сейчас вокруг нас появляется
все больше портативных электронных устройств — они способны
решать любые задачи здесь и сейчас. В каждом есть аккумулятор, который
необходимо быстро и многократно заряжать, чтобы сохранять их мобильность.
Особенно остро эту потребность ощущают пользователи электромобилей – время зарядки
машины до 100% сегодня может занимать до 12
часов. Классические литий-ионные батареи с графитовым анодом не справляются с
такой задачей и выходят из строя, образуя дендриты – наросты в виде шипов,
замыкающие аккумулятор изнутри. Поэтому необходимо найти материалы, которые
обладают высокой энергоемкостью и способны выдерживать много циклов перезарядки без поломок в течение длительного времени. В
качестве перспективного класса соединений для анодов ученые рассматривают
органические полимеры на основе переходных металлов, например, никеля или
железа. Одно из таких соединений – одномерный полимер тетрааминобензола с
никелевым координационным центром (NiBTA).
Научные группы неоднократно
пытались исследовать анод из NiBTA, чтобы
понять, что происходит с соединением в батареях. Исследователи применяли разные
методы exsitu, и
каждый ученый предлагал свой механизм, часто противоречащий выводам его коллег.
Неоднозначность данных не позволяла прийти к единому мнению о том, как меняется
степень окисления металла в процессе заряда-разряда аккумулятора на основе NiBTA.
Химики МГУ с коллегами из
Сколково использовали спектроскопию рентгеновского поглощения, чтобы заглянуть
внутрь органического анода во время работы. Главное преимущество этого метода --
возможность получать данные со всего образца, а не только с поверхности
материала. "Этот метод обычно реализуется на крупных дорогостоящих исследовательских установках –
синхротронах. В рамках работы лаборатории мы создали лабораторный спектрометр,
который не уступает "старшим братьям" по разрешению, -- рассказывает один из
авторов работы, аспирант Химического факультета МГУ Даниил Новичков.--Так как попасть на синхротрон часто бывает проблематично,
главное достоинство нашего прибора –возможность сделать аналогичное исследование
на высоком уровне в короткие сроки. Поэтому мы принимаем заявки ученых из
различных областей и проводим необходимые им измерения". Результаты
исследований NiBTAс
помощью этого прибора подтвердили теоретические расчеты и показали, что
эффективный заряд на никеле уменьшается при восстановлении.
Авторы работы не
останавливаются на достигнутом: в их планах – исследовать комплексы похожего
строения, но уже с другими металлами: "Мы продолжили сотрудничать со Сколково и
провели еще несколько измерений, по результатам которых наши коллеги планируют
выпустить статью. Мы точно также изучали анод на основе соединения железа. Так
как образцы быстро окислялись на воздухе, а метод спектроскопии позволяет
быстро получить необходимые данные без разрушения соединения, он оказался
особенно полезен в этом исследовании", -- заключает автор работы.
Ссылка на статью:
Roman R. Kapaev, Andriy Zhugayevych, Sergey V. Ryazantsev, Dmitry A. Aksyonov, Daniil Novichkov, Petr I. Matveev and Keith J. Stevenson
Charge storage mechanisms of a p–d conjugated polymer for advanced alkali-ion battery anodes
Chem. Sci., 2022,13, 8161-8170
https://doi.org/10.1039/D2SC03127B
Работа поддержана грантом Минобрнауки 075-15-2019-1891.
Текст: Екатерина Изергина/пресс-служба химического факультета МГУ
Фото: Юлия Чернова/пресс-служба химического факультета МГУ
