В России изобрели экологически чистый способ производства анодов для литий-ионных батарей
08.11.2019
Московские химики совместно с
французскими коллегами разработали экологически чистый метод получения анодов
для литий-ионных аккумуляторов, в основе которого лежит использование
соединений германия. При производстве таких анодов не используются токсические
соединения. Открытие поддержано
грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного
фонда. Научная статья опубликована в престижном журнале
GreenChemistry.
Литий-ионные батареи сейчас широко распространены в
электронной технике. На сегодняшний день их общий мировой рынок достиг 5 млрд
шт. Такие аккумуляторы — обязательный атрибут каждого смартфона, ноутбука,
планшета, фотоаппарата и электромобиля. Главными компонентами батарей являются
электроды: отрицательно заряженный анод и положительно заряженный катод.
Катодный материал (соль лития) помещают на алюминиевую фольгу, а анодный
(графит) — на медную. При этом электрический ток создается за счет движения
заряженных частиц: ионов (атомов без электронов) лития к катоду и электронов к
аноду. Когда все частицы достигают нужного им электрода, аккумулятор
разряжается. При подключении аккумулятора к розетке частицы вновь способны
передвигаться и создавать ток.
В аккумуляторах используют графит, потому что у него
слоистая структура, каждый слой напоминает сеть, которая ловит заряженные
частицы. Чем больше ионов и электронов сможет поймать такая ловушка, тем
большей энергоемкостью будет обладать батарея. Аккумуляторы с высокой емкостью
медленнее разряжаются, что очень важно для разработчиков современных смартфонов
и планшетов. При этом нельзя увеличить число пойманных графитом частиц,
увеличивая его массу, потому что в таком случае батарея будет слишком большой.
Смартфоны с массивными аккумуляторами по очевидным причинам не пользуются
популярностью у покупателей. Поэтому сейчас графит в составе батарей пытаются
заменить производными соединениями германия и кремния. У некоторых из них
энергоемкость до 5 раз больше, чем у графита.
В использовании германия в качестве анодного материала есть
свои нюансы. Такой материал может сильно деформироваться из-за постоянного
повторения цикла зарядки-разрядки. Это, в свою очередь, приводит к быстрому
износу батареи. Решением проблемы может стать нанесение германия в виде
наночастиц на поверхность анода, и таким образом предохранить материал от
деформации. Однако тут возникает новая проблема. Процесс получения наночастиц
сейчас включает в себя применение очень токсичных и летучих соединений —
галогенпроизводных (хлоридов, фторидов, йодидов). Как правило, используется
хлорид германия, но именно хлор в составе соли делает ее опасной для окружающей
среды и человека. Поэтому наладить масштабное производство анодов из германия
до сих пор не удавалось.
«Наши исследования направлены на разработку новых, пригодных
к практической реализации, экологически безопасных, простых и высокоэффективных
методов получения наночастиц германия высокой степени чистоты. С их помощью
можно увеличить энергоэффективность литий-ионных батарей. Разработанный метод
электроосаждения наночастиц из цитрата германия — это результат нескольких лет
серьезной работы», — сообщает руководитель проекта Михаил Сыроешкин, кандидат химических наук, старший
научный сотрудник Института органической химии имени Н. Д.
Зелинского.
Московские ученые предлагают использовать метод
электроосаждения без участия токсичных галогенпроизводных, таких как хлорид
германия. Разработанный способ основан на изготовлении анодного материала из
легкодоступных и безопасных соединений. Вместо агрессивного хлорида германия
исследователи использовали для получения наночастиц цитрат германия. Для этого
диоксид германия обрабатывали лимонной кислотой. Все эти соединения стабильные,
недорогие и не образуют вредных для человека и природы летучих соединений. Не
исключено, что такой экологически чистый способ получения наночастиц в
дальнейшем будет использован в масштабном производстве батарей.
«Все использующиеся для создания зеленых батарей соединения
и реагенты легкодоступны. Также важно, что вопросы экологии и экономики в химии
часто идут рука об руку, поскольку более безопасный и экологичный метод всегда
проще и дешевле в реализации и масштабировании, чем вредный, требующий особой
безопасности и специальных сложных условий», — подводит итог Михаил Сыроешкин.
В исследовании также участвовали сотрудники Université de Rennes 1 (Франция) и Сколковского института науки и технологии Skoltech.
Картинка 1. Литий-ионные батареи зеленого производства.
Иллюстрация Евгении Савериной.
Пресс-служба Российского научного фонда