Российские ученые совместно с коллегами из Израиля и
Австралии получили материал на основе восстановленного оксида графена и
сульфида сурьмы и протестировали его в качестве анода калий-ионного
аккумулятора — перспективного аналога используемых сейчас литий-ионных. Результаты
работы, поддержанной грантом
Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале
Journal of Materials Chemistry A.
Сегодня мы не можем
представить свою жизнь без смартфонов, ноутбуков и других гаджетов, работающих
без подключения к электросети и получающих энергию от литий-ионных
аккумуляторов. Количество таких устройств ежегодно растет, кроме того,
пользователи нуждаются в более энергоемких источниках энергии, которые позволят
им работать дольше без подзарядки. Однако запасы лития в земной коре
уменьшаются, а отработавшие свой ресурс аккумуляторы утилизируются
неэффективно. Это приводит к постепенному удорожанию литиевого сырья.
Разработка альтернативных аналогов на основе, например, натрия и калия поможет
создать более дешевые и мощные источники энергии. Преимущество калий-ионных
аккумуляторов заключается в высокой проводимости калийсодержащих электролитов,
но сейчас такие источники энергии находятся на стадии лабораторных
исследований.
Основными компонентами
металл-ионных аккумуляторов являются два электрода (катод и анод), разделенные
пористым сепаратором. Во время работы аккумулятора катионы лития, натрия или
калия поступают из материала анода в материал катода через электролит, который
заполняет корпус аккумулятора. Во время зарядки происходит обратный процесс.
Емкость электродных
материалов, и, в конечном итоге, всего аккумулятора зависит от количества ионов
металла, которые могут обратимо присоединять и отдавать материалы анода и
катода. В литий-ионных аккумуляторах в качестве анода часто используют графит,
благодаря его свойству обратимо включать литий между слоями углерода. Калий,
как и литий, в отличие от натрия, тоже взаимодействует с графитовым анодом,
однако в настоящий момент ведется поиск материалов, которые обладают более
высокой электрохимической емкостью и устойчивостью в ходе повторяющихся циклов
заряда-разряда.
В процессе исследования
ученые получили новый материал на основе сульфида сурьмы и восстановленного
оксида графена и изучили его свойства в качестве анода в калий-ионном
аккумуляторе. Материал был получен пероксидным методом, разработанным ранее в
лаборатории пероксидных соединений и материалов на их основе Института общей
и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН (Москва). Метод заключается в самоорганизующемся равномерном
осаждении частиц пероксокомплекса сурьмы на поверхности листочков оксида
графена из водно-пероксидного раствора. После обработки материала сероводородом
и последующей термической обработки формируется кристалл сульфида сурьмы на
поверхности подложки. Результаты электрохимических исследований показали
возможность использования материала в качестве анода калий-ионного
аккумулятора.
«Полученный материал
продемонстрировал более высокие значения удельной емкости по сравнению с
другими анодами из сульфидов фосфора, кобальта, олова и сурьмы, свыше 650
мАч/г. Энергоемкость графита, который считается перспективным, в три раза
меньше. Благодаря этому мы можем предположить, что синтезированный нами
материал может быть использован при создании современных аккумуляторов», —
отмечает руководитель проекта по гранту РНФ Петр Приходченко,
доктор химических наук, заведующий лабораторией пероксидных соединений и
материалов на их основе ИОНХ РАН (Москва).
Результаты исследования
показали, что калий-ионные аккумуляторы с анодом на основе сульфида сурьмы и
восстановленного оксида графена обладают более высокой энергоемкостью, чем
считалось ранее. Следующим этапом исследования может стать тестирование
прототипов новых источников энергии с разной концентрацией полученного
материала.
Картинка 1. Схематическое
представление строения материала и зависимость значения удельной емкости от
номера цикла в ячейке с калиевым противоэлектродом. Источник: Петр Приходченко.
Пресс-служба Российского научного фонда