Ученые БФУ имени Иммануила Канта с коллегами выяснили, как при нагревании меняется аморфный углерод — материал, из которого создают отрицательные электроды аккумуляторов. Оказалось, что после измельчения и отжига при 800°С в материале формируются упорядоченные графеноподобные области, которые могут улучшить характеристики батарей. Полученные данные потенциально помогут разработать более эффективные и долговечные накопители энергии нового поколения. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Magnetic Resonance.
В телефонах, ноутбуках, электромобилях и другой современной технике используются литий-ионные аккумуляторы. Отрицательные электроды (элементы, проводящие ток) в них чаще всего делают из графита — недорогого углеродного материала с упорядоченным слоистым строением. Перспективной альтернативой ему считается неупорядоченный углерод, в структуре которого есть множество дефектов и пустот, способных увеличить емкость аккумулятора. Однако слишком сильная неупорядоченность имеет свои недостатки — материал может быстрее разрушаться при эксплуатации и хуже возвращать накопленный заряд. Поэтому ученые стремятся найти оптимальный способ обработки углерода, который обеспечит максимальную способность накапливать и отдавать заряд.
Ученые из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта (Калининград) и Петербургского института ядерной физики имени Б.П. Константинова НИЦ «Курчатовский институт» (Гатчина) выяснили, как измельчение и последующая тепловая обработка (отжиг) влияют на свойства аморфного углерода.
В экспериментах авторы использовали три варианта образцов: первый представлял собой аморфный углерод сразу после синтеза; второй — тот же углерод, но после тщательного измельчения; а третий — после измельчения и последующего отжига при 800°С. Отжиг проводят для обработки многих материалов (в том числе углеродных), чтобы изменить их внутреннюю структуру и тем самым потенциально улучшить свойства.
Ученые методом ядерного магнитного резонанса сравнили спектры полученных образцов и выяснили: исходный материал практически не имеет пор и состоит из хаотически расположенных фрагментов графита. После измельчения форма этих блоков сохранилась, однако материал стал более рыхлым и пористым. Из-за этого он активнее взаимодействовал с окружающей средой и частично окислился — приобрел в своей структуре группы, содержащие кислород и водород. Обнаруженные протонные сигналы позволили оценить размер появившихся пор.
В образце, который измельчили и нагрели при 800°С, начали формироваться упорядоченные области, по структуре напоминающие графит. Такое частичное упорядочивание даст материалу возможность одновременно иметь высокую емкость (которая характерна для неупорядоченного углерода), а также долговечность и эффективность отдачи заряда, свойственную графитовым структурам.
«Наше исследование показало, что, контролируя степень измельчения и температуру нагрева аморфного углерода, можно формировать его структуру и целенаправленно создавать материал с нужными свойствами. Например, таким образом можно будет улучшить проводимость и стабильность анодов, что позволит создавать аккумуляторы с большей емкостью и более длительным сроком службы. В дальнейшем мы планируем на практике детально изучить, как упорядоченные структуры в аморфном углероде влияют на перенос ионов в аккумуляторах», — рассказывает Галина Куприянова, доктор физико-математических наук, профессор ОНК «Институт высоких технологий», руководитель лаборатории магнитно-резонансных методов исследования вещества БФУ имени Иммануила Канта.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
