Ученые из Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН совместно с коллегами из СФУ и Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» предложили использовать соединение графена с монослоем дисульфидом ванадия в качестве анодного материала для литий-ионных батарей. Благодаря этому повысятся емкость, максимальная скорость заряда-разряда элементов питания. Результаты исследований опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry.

Двухслойная гетероструктура, состоящая из монос...

Двухслойная гетероструктура, состоящая из монослоя дисульфида ванадия и графена для литий-ионных батарей

Сегодня литий-ионные аккумуляторы — это наиболее популярный источник питания для многих устройств, начиная от мобильных телефонов и заканчивая электромобилями. В отличие от обычных, такие батареи обладают высокой удельной емкостью, длительным сроком службы и эксплуатационной безопасностью. Несмотря на существующие преимущества, задачи повышения емкости и скорости зарядки элементов питания остаются актуальными.

Физическая основа литий-ионного аккумулятора — два электрода, анод (плюс) и катод (минус), разделенные пористым полимерным материалом. Во время зарядки, электрический ток перемещает ионы лития от катода к аноду, а во время работы батареи, ионы движутся обратно. Когда батарея «умирает», возможность для перемещения ионов лития между электродами снижается. Именно поэтому спустя несколько месяцев после покупки смартфон необходимо заряжать гораздо чаще, чем первоначально.

Оказывается, продлить срок службы элемента питания возможно с помощью графена — это уникальный двумерный материал, за открытие которого в 2010 году была вручена Нобелевская премия. Он обладает высокой удельной поверхностью, хорошей электропроводностью и упругостью. Предполагается, что графен может найти широкое применение в разных областях промышленности, в том числе в устройствах, сохраняющих энергию.

Исследователи из Красноярска и Москвы предложили использовать в качестве анодного материала для литий-ионных батарей двуслойную гетероструктуру состоящую из монослоев дисульфида ванадия и графена.

«Предложенный композит представляет собой двухмерную структуру из двух разнородных слоев — графена и дисульфида ванадия. Толщина такой пластины составляет порядка одного нанометра. Мы показали, что ионы лития могу связываться не только на поверхности такого материала, но и в межслоевом пространстве, что в конечном итоге приводит к его высокой удельной емкости», — пояснил младший научный сотрудник лаборатории физики магнитных явлений Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН Максим Высотин.

Ученые подсчитали, что возможная емкость такого композита составит 569 мАч на один грамм анодного материала, это почти в два раза выше, чем у графита — наиболее часто используемого анода в современных литий-ионных батареях. Теоретические расчеты показали — соединение графена и ванадия обеспечивает как хороший перенос электронов, так и механическое упрочнение материала.

«Ключевой особенностью композита, помимо емкости, является высокая подвижность ионов лития внутри. Это позволяет быстро заряжать аккумулятор или питать от него устройства повышенной мощности. Также, высокая подвижности ионов позволяет надеяться на хорошую работу аккумуляторов при низкой температуре», — добавил кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Захар Попов.

В ходе работы, исследователи обнаружили еще одну важную особенность — сохранение уникальных электронных свойств графена в композите, даже после заполнения его литием. Возможно, этот эффект откроет новые возможности для управления свойствами наноматериалов на основе графена, предполагают ученые. Работа поддержана Министерством образования и науки Российской Федерации и Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ).

Исследование посвящено памяти кандидата физико-математических наук Кузубова Александра Александровича (1974-2016).

Дополнительная информация для СМИ по тел.: 8 983-144-41-15, Екатерина Бурчевская, специалист группы научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН