Новый класс материалов ускорит разработку безопасных аккумуляторов

Химики нашли новый класс материалов, который сможет ускорить разработку мультивалентных металл-ионных аккумуляторов. В отличие от литий-ионных аккумуляторов, такие накопители будут безопаснее в эксплуатации и значительно дешевле. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда, опубликованы в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

Способность компактно хранить большие количества энергии сильно изменила нашу повседневную жизнь. Мобильные телефоны и ноутбуки, беспилотные аппараты и электромобили — все это стало возможным благодаря появлению литий-ионных аккумуляторов. Но запасы лития в земной коре не бесконечны, что приводит к постепенному удорожанию сырья, а кроме того, аккумуляторы литий-ионного типа имеют ряд серьезных недостатков — например, они плохо работают на холоде и склонны к возгоранию. Поэтому ученые ищут более дешевые, надежные и мощные источники энергии.

Одна из возможных альтернатив — мультивалентные металл-ионные аккумуляторы, например, магний-, цинк- или алюминий-ионные. Такие накопители привлекают внимание исследователей благодаря низкой удельной стоимости хранения энергии, что делает их перспективными для электротранспорта и систем возобновляемой энергетики. Однако сегодня развитие мультивалентных металл-ионных аккумуляторов сдерживается из-за отсутствия ключевых элементов таких накопителей — ионных проводников, которые играют роль как электродов, так и твердых электролитов (веществ, в которых электропроводность обусловлена высокой подвижностью ионов).

Ученые из Самарского государственного технического университета (Самара) совместно с коллегами проанализировали свыше 1,5 тысячи химических соединений. Они пропустили материалы через систему теоретических фильтров, работающую по принципу «от простого к сложному». Для каждого соединения химики рассчитали характеристики свободного кристаллического пространства, энергию активации диффузии ионов, коэффициент диффузии и проводимость. В итоге они отобрали 16 соединений, которые могут быть эффективными ионными проводниками.

Среди отобранных соединений ученые выявили новый класс кристаллических материалов, которые обладают особенно высокой катионной проводимостью. Эти вещества относятся к структурному классу La3CuSiS7, и их ионная проводимость в 10-100 раз выше аналогов.

«Результаты нашей работы помогут ускорить разработку аккумуляторов нового поколения. С помощью теоретических методов мы смогли найти новые перспективные материалы. Наша следующая цель — синтезировать и экспериментально подтвердить характеристики найденных веществ, после чего можно будет собрать прототип аккумулятора», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Артем Кабанов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ) СамГТУ.

В работе также приняли участие исследователи из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (Москва), Самарского государственного медицинского университета (Самара) и Фрайбергской горной академии (Германия).