Сколтех: графен с четырьмя слоями лития в три раза превосходит графитовые аноды

Российские исследователи сделали шаг к созданию аккумуляторов, которые смогут заряжаться за минуты, работать дольше и безопаснее современных аналогов. Ученые из Сколтеха представили обзор фундаментальных открытий в области многослойного внедрения лития, натрия и калия в углеродные материалы — технологии, которая способна радикально изменить рынок энергетики и электромобилей.

Об этом "Газете.Ru" сообщили в пресс-службе образовательного учреждения.

Еще недавно считалось, что щелочные металлы способны встраиваться в графит лишь одноатомным слоем. Однако в 2018 году высокоточный электронный микроскоп впервые зафиксировал плотные многослойные структуры лития, "зажатые" между листами графена. Это наблюдение стало отправной точкой нового направления в материаловедении: как выяснилось, подобные структуры могут формироваться и с натрием, и с калием во множестве углеродных архитектур — от графена до неупорядоченного твёрдого углерода.

Новая парадигма открывает сразу несколько ключевых преимуществ. Во-первых, резкий рост емкости: расчеты показывают, что графен с четырьмя слоями лития может в три раза превзойти лучшие современные графитовые аноды. Во-вторых, высокая скорость: специально созданные наноканалы в углеродных матрицах функционируют как "скоростные трассы" для ионов. Это уже доказано экспериментально: прототипы натрий-ионных аккумуляторов сохраняют до 83% ёмкости после 3000 циклов сверхбыстрой зарядки.

Не менее важный аспект — безопасность. Традиционные литиевые батареи подвержены росту металлических дендритов — игольчатых структур, которые становятся причиной коротких замыканий и возгораний.

Многослойные структуры внутри стабильного углеродного каркаса устраняют эту проблему, заставляя металл осаждаться внутри объема, а не на поверхности.

"Мы систематизировали доказательства того, что природа позволяет нам упаковывать ионы в углерод гораздо плотнее, чем считалось возможным", — отметил соавтор исследования Илья Чепкасов.

По его словам, ключ в инженерном дизайне углеродного носителя — контроле размера нанопор, создании мезоканалов и атомарных каналов, которые направляют ионы по оптимальным траекториям.

Авторы подчеркнули: путь от лабораторного открытия к промышленной технологии уже обозначен. Существуют методы модификации графита, такие как молекулярное туннелирование аммиаком, и синтез твердого углерода из биомассы. Но для массового внедрения необходимо совершенствовать компьютерное моделирование, научиться наблюдать процессы внутри работающего аккумулятора в реальном времени и удешевить технологию.

"Следующая фаза — инженерная и технологическая. Нам нужно научиться создавать эти материалы не только в лаборатории, но и в промышленных масштабах", — пояснил профессор Александр Квашнин.