Учёные Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского показали, как с помощью графена можно улучшить ключевые свойства литий-ионных аккумуляторов. Их работа закладывает теоретическую основу для создания более быстрых, долговечных и устойчивых к перегреву батарей нового поколения.
В исследовании впервые с помощью первопринципного моделирования была построена атомная модель двумерного композита графен/оксид лития-кобальта (III). Учёные изучили, как добавление графена влияет на физические и электрохимические свойства этого материала. Речь идёт о катоде – «плюсовом» электроде аккумулятора, от которого напрямую зависят скорость зарядки, срок службы и безопасность батареи.
Результаты показали, что внедрение графена меняет поведение материала на атомном уровне. Ионы лития начинают быстрее перемещаться внутри батареи, что напрямую связано с ускорением процессов зарядки и разрядки. Проще говоря, энергия начинает «течь» по материалу быстрее и стабильнее.
Одновременно композит становится механически прочнее: катод лучше переносит многократные циклы зарядки и разрядки, меньше подвержен микротрещинам и деградации. Это означает, что батарея может служить дольше без потери характеристик. При этом материал сохраняет выраженные катодные свойства и высокую способность накапливать заряд.
Отдельный эффект связан с перераспределением электронного заряда между компонентами композита. Это приводит к формированию устойчивого электрического слоя на границе материалов и дополнительно повышает эффективность накопления энергии.
Сами учёные сравнивают свою работу с модернизацией дороги.
«Мы добавили графен к оксиду лития-кобальта (III) – уже испытанному и эффективному “сердцу” современных батарей – чтобы значительно улучшить его свойства: повысить скорость зарядки, продлить срок службы и повысить устойчивость к перегреву. Если сравнить с дорогой, мы не строим магистраль с нуля, а модернизируем надёжное существующее полотно, превращая его в высокоскоростную и стабильную трассу», – говорит доцент кафедры радиотехники и электродинамики Владислав Шунаев.
На текущем этапе работа носит фундаментальный, теоретический характер. Все расчёты завершены, атомная структура оптимизирована, электронные, механические и ёмкостные свойства композита подробно проанализированы. Полученные данные станут основой для следующих шагов – синтеза реальных образцов графен/оксид лития-кобальта (III) и их лабораторного тестирования.
В перспективе такие разработки могут привести к появлению аккумуляторов, которые быстрее заряжаются, дольше работают без подзарядки и меньше подвержены перегреву. Это касается смартфонов и ноутбуков, электромобилей, дронов, домашних систем накопления энергии и портативных медицинских устройств.
Результаты исследования опубликованы в журнале Surfaces and Interfaces. Работа поддержана грантом Российского научного фонда и реализуется в рамках программы стратегического развития «Приоритет-2030».
Подготовила Альфия Тимошенко