Ученые ПетрГУ работают над улучшением характеристик аккумуляторов

Многие современные устройства работают на литий-ионных аккумуляторах: от электротранспорта и телефонов до вживляемых в организм электростимуляторов. Но телефон приходится заряжать практически каждый день, аккумулятор электротранспорта тяжелый и занимает слишком много места, а для смены аккумулятора электростимулятора требуется проводить операции раз в несколько лет.

Физики и химики пытаются разработать аккумуляторы, способные удерживать заряд, существенно больший, чем выпускающиеся сейчас аккумуляторы. И здесь возможны два пути: либо усовершенствовать имеющиеся литий-ионные, либо разрабатывать новые типы батарей.

Первый вариант хорош тем, что уже имеются заводы с оборудованием и разработанными технологиями, куда потребуется внести небольшие изменения. Минусы — ограниченные запасы лития, необходимость сборки в специальных боксах с атмосферой аргона, повышенная взрывоопасность при производстве и неправильной эксплуатации, неэкологичность утилизации. Один из новых типов аккумуляторов — цинк-ионные.

Цинк гораздо дешевле, да и запасы его больше, чем лития. Вместо органического электролита используется водный, что упрощает технологический процесс и делает аккумуляторы безопасными. К сожалению, пока разрабатываемые цинк-ионные аккумуляторы уступают литий-ионным по ряду параметров: не могут работать при низких температурах, т.к. используется водный электролит, и ограниченный ресурс из-за роста дендритов в катодном материале в процессе работы.

Эксплуатационные характеристики батарей определяются материалами анода, катода и электролита. Ученые Физико-технического института ПетрГУ разрабатывают новые материалы для катодов обоих типов аккумуляторов. Основа предлагаемых материалов — оксиды ванадия, которые могут быть разными по природе: степень окисления ванадия в оксидах может меняться от двух до пяти.

При использовании оксидов ванадия в качестве катодных материалов аккумуляторов главную роль играет способность оксидов накапливать заряд, благодаря слоистой кристаллической структуре. Кроме того, электроемкость можно увеличить за счет увеличения площади свободной поверхности катода, для чего изготавливают катодный материал в виде наноструктур.

Однако при работе аккумуляторов ионы лития или цинка должны многократно проникать в материал и выходить из него, что приводит к постепенному разрушению материала, а часть ионов не покидают катод. Исследования многих ученых в мире, а также исследования ПетрГУ показали, что аккумуляторы с катодами на основе чистых оксидов ванадия выдерживают значительно меньше циклов заряда и разряда, чем имеющиеся сейчас литий-ионные аккумуляторы, хотя начальный заряд у них больше в 1,5 – 2 раза.

Исследования ученых ПетрГУ направлены на модификацию катодных материалов на основе оксидов ванадия с целью увеличения количества циклов заряда-разряда, которые выдерживает аккумулятор, при сохранении высокой начальной электроемкости.

Материал изготавливается одним из современных методов получения нанонитей — электроспиннингом: вытягиванием нитей из раствора в высоковольтном электростатическом поле. Один из способов модификации — добавка в структуру оксида ванадия ионов других металлов, расширяющих кристаллическую решетку. Второй способ – получение материала, состоящего из смеси оксидов с различными степенями окисления ванадия.

Сборка моделей аккумуляторов производится в специальном боксе в атмосфере аргона.

На данный момент учеными ПетрГУ показано, что наиболее перспективным способом модификации нанонитей пентаоксида ванадия, позволяющим увеличить срок службы литий-ионного аккумулятора с катодом на их основе, является второй: создание материала, состоящего из смеси оксидов с различными степенями окисления ванадия.

Сравнивая аккумуляторы с модифицированным и немодифицированным материалом, можно отметить значительный прирост стабильности (относительная удельная ёмкость после 100 циклов заряда-разряда увеличилась на 46%). В результате получается сложный материал, на характеристики которого влияет большое количество параметров синтеза. В данный момент мы продолжаем изучать зависимость характеристик литий-ионного аккумулятора от небольших изменений параметров синтеза, чтобы еще улучшить его свойства.  

 — рассказал Андрей Шарлаев, аспирант, ст. преподаватель кафедры общей физики ПетрГУ, работающий над проектом.     

Работы проводятся в лаборатории синтеза оксидных микро- и наноструктур Физико-технического института под руководством доцента кафедры общей физики и руководителя лаборатории Ольги Яковлевны Березиной.

Часть исследований проводится на кафедре электрохимии Санкт-Петербургского государственного  университета под руководством заведующего кафедрой профессора Вениамина Владимировича Кондратьева.

Проект поддержан грантом Главы Республика Карелия Программы ПетрГУ по поддержке НИОКР студентов, аспирантов и лиц, имеющих ученую степень, обеспечивающих значительный вклад в инновационное развитие отраслей экономики и социальной сферы Республики Карелия.