Новости

14 февраля, 2024 18:23

Создан эффективный электрод на основе сульфида германия для литий-ионных аккумуляторов

Источник: Поиск
Ученые из Института общей и неорганической xимии им. Н.С. Курнакова РАН и Еврейского университета в Иерусалиме получили эффективный электродный материал на основе сульфида германия для литий-ионного аккумулятора, способный стабильно работать на протяжении большого количества циклов при высоких скоростях заряда/разряда. Разработка перспективна для создания энергоемких высокоэффективных аккумуляторов. Результаты работы поддержаны грантом Российского научного фонда (проект РНФ 23-23-00583) и опубликованы в журнале Journal of Colloid & Interface Science.
Получение композиционного электродного материала сульфид германия/восстановленный оксид графена и зависимости удельной электрохимической емкости от номера цикла при токе заряда/разряда 2 и 5 А/г. Автор: А. Михайлов.

Литий-ионные аккумуляторы занимают лидирующее положение как источники тока в портативной электронике, электротранспорте, системах возобновляемой энергии и интеллектуальных электросетях. Однако, одним из недостатков литий-ионных аккумуляторов является ограниченный срок службы. Для ряда нишевых применений существует потребность создания аккумуляторов с высокими величинами удельной мощности. В связи с этим, поиск анодных материалов с высокой электрохимической емкостью и стабильностью остается очень актуальной задачей.

Известно, что сульфид германия имеет высокое значение теоретической емкости, а продукты взаимодействия германия с литием обладают относительно высокой электропроводностью, что вызывает интерес исследователей к созданию энергоемких аккумуляторов на основе соединений германия. Однако, материал на основе сульфида германия обладает и рядом недостатков. Во-первых, значительные обратимые изменения объема при взаимодействии сульфида германия с литием в ходе работы аккумулятора приводят к растрескиванию и разрушению электрода. Во-вторых, образование полисульфидов и их выделение из материала анода приводит к потере электрохимической емкости, разрушению электрода, переносу полисульфидов в область положительного электрода и его пассивацию (так называемый «челночный перенос» или «шаттл-эффект»). В-третьих, сера и сульфид лития, образующиеся при работе аккумулятора, не проводят электрический ток, и их осаждение на электроде снижает проводимость и препятствует процессу полного повторного взаимодействия с литием. Перечисленные проблемы актуальны и при создании литий-серных аккумуляторов. Одним из способов их решения является получение композиционных наноматериалов на основе соединений германия на поверхности проводящей углеродной подложки, например восстановленного оксида графена.

Xимики из России и Израиля впервые применили относительно простой подход к получению композиционных материалов на основе сульфида германия с использованием в качестве исходного соединения хорошо растворимой формы оксида германия. Растворимость оксида германия достигает 100 грамм на 1 литр воды, что делает его удобным исходным соединением для получения других соединений германия и ранее позволило авторам разработать «зеленый» метод получения композитных электродных материалов для литий-ионных аккумуляторов на основе оксида, нитрида и фосфида германия. В данной работе оксид германия растворяли в водной дисперсии оксида графена, содержащей сульфид аммония и неионогенное поверхностно-активное вещество. Использование поверхностно-активного вещества позволило значительно уменьшить размер частиц. Последующая термообработка материала в вакууме привела к восстановлению оксида графена, обеспечив хорошую электропроводность, большую площадь поверхности и механическую прочность, что важно для работы электрода. Кроме того, углеродная подложка предотвратила агрегацию активного материала с образованием зерен большого размера, в итоге, уменьшая диффузионный барьер.

«Подбор подходящих электролитов, стекловолоконной мембраны и связующего вещества при приготовлении электрода позволил уменьшить челночный перенос полисульфидов и оптимизировать рабочие характеристики анодного материала в литий-ионном аккумуляторе. При этом получены значения удельной емкости в более 1200 мАч/г при токе 2 А/г, что превышает опубликованные на данный момент величины для электродов на основе сульфида германия в 1.5-2 раза. Полученный электрод обладает превосходной стабильностью при высоких токах заряда/разряда в 2 и 5 А/г на протяжении более 1000 циклов. Кроме того, были протестированы полные электрохимические ячейки с полученным в данной работе анодным материалом на основе сульфида германия и c кобальтатом лития в качестве материала противоэлектрода, которые продемонстрировали высокие величины удельной электрохимической емкости, мощности и плотности энергии», — прокомментировал исследование старший научный сотрудник Лаборатории пероксидных соединений и материалов на их основе ИОНХ РАН кандидат химических наук Александр Медведев.
17 апреля, 2024
Создано биоразлагаемое защитное покрытие для титановых имплантатов
Российские ученые разработали биоразлагаемое полимерное покрытие для титановых имплантатов, которое ...
17 апреля, 2024
В СКФУ разработали новые вещества для лечения агрессивных форм рака
Получить более биодоступные и менее токсичные вещества с высокой противораковой активностью удалос...