В Сколтехе изучили возможность использования полиароматических углеводородов для анодных материалов в металл-ионных аккумуляторах. Соединения на основе углерода — перспективные анодные материалы благодаря высокой емкости, низкому рабочему напряжению и высокой электронной проводимости. Исследование открывает перспективы для создания более дешевых и даже более емких анодных материалов.
Результаты работы опубликованы в Journal of Energy Storage. Основной материал, который используется сегодня в качестве анода в металл-ионных аккумуляторах, — это графит. У него есть несколько недостатков: небольшая емкость ограничивает время работы телефонов, компьютеров и другой техники, а еще он дорогой — для его производства нужно обжигать исходный материал при температуре около 3000 градусов Цельсия.
«Последние несколько лет ученые активно смотрят в сторону создания анодов из органических материалов, таких как полиароматические углеводороды. Они дешевле и даже более емкие, чем графит. В нашей новой работе мы взяли четыре полиароматических углеводорода — нафталин, антрацен, тетрацен и пентацен — и интеркалировали различные атомы — литий, натрий, кальций, магний, рубидий и калий. Все эти металлы используются в металл-ионных аккумуляторах», — рассказал первый автор работы Илья Чепкасов, старший научный сотрудник Проектного центра по энергопереходу в Сколтехе.
Полиароматические углеводороды образуются в процессах низкотемпературного горения или термического разложения органических материалов. Основной акцент в работе сделан на интеркаляции атомов щелочных и щелочноземельных металлов (литий, натрий, калий, рубидий, магний, кальций) в кристаллические структуры полиароматических соединений. Расчеты проводились методом теории функционала электронной плотности. Ученые рассмотрели различные методы коррекции ван-дер-ваальсовых взаимодействий, влияющих на точность вычислений энергии интеркаляции металла в кристаллы полиароматических углеводородов.
«Мы пришли к выводу, что емкость всех изученных кристаллов полиароматических углеводородов с металлами значительно превосходит стандартные значения для графитового электрода. Например, емкость с литием, натрием, калием и рубидием в 1,2-1,3 раза выше аналогичного показателя для графита. А при интеркаляции магния и кальция эта величина достигает еще больших значений — порядка 2,3-2,6 раз выше», — поделился результатами соавтор исследования профессор Александр Квашнин из Проектного центра по энергопереходу в Сколтехе, лауреат Научной премии Сбера в 2024 году.
Полиароматические углеводороды позволят повысить энергоемкость аккумуляторов, снизить зависимость от дефицитных элементов (например, лития), уменьшить объемные деформации электродов и обеспечить быструю реакцию заряда-разряда. Особенно перспективны в качестве анодных материалов тетрацен и пентацен. Они открывают путь к созданию более эффективных и экономичных решений для хранения электрической энергии.