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