Сотрудники Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН совместно с коллегами из Института химических исследований Ренна, Сколковского института науки и технологий, Института проблем химической физики РАН, Омского государственного технического университета и Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева получили в два раза более энергоемкий материал для анодов литий-ионных батарей на основе органических соединений германия. Нетоксичность и простота производства этого материала делают его достойным аналогом используемого сегодня графита. Исследования поддержаны грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда. Статья с описанием исследования опубликована в журнале ChemSusChem, кратко ее содержание описывается в пресс-релизе РНФ.

Применение литий-ионных батарей, создатели которых получили Нобелевскую премию в 2019 году, касается всех областей жизни современного человека — от гаджетов до автобусов. Они заняли лидирующие позиции среди аккумуляторов благодаря своей емкости и возможности многократного перезаряда. Высокая емкость батарей достигается за счет компактности атомов лития, который выполняет функцию носителя заряда. При зарядке аккумулятора положительные ионы этого металла перемещаются из катодного материала (чаще всего это литийсодержащий сложный оксид) в анодный (слой графита, нанесенный на медную фольгу), а при разрядке — обратно. Дальнейшее развитие батарей связано с повышением их емкости, для чего необходимо увеличивать способность катода и анода «впитывать» как можно больше лития.

Ученые из Института органической химии РАН и Сколтеха нашли альтернативу материалу, используемому в анодах батарей. Ранее исследователи предложили заменить графит на диоксид германия, что дало возможность получить вдвое более емкий анод. Однако в чистом виде диоксид германия теряет свои качества уже после нескольких циклов из-за особенностей своей химической структуры. Дело в том, что диоксид германия во многом является аналогом диоксида кремния — или попросту кварца, из которого чаще всего состоит обычный песок. Он представляет собой трехмерный полимер, в котором атомы германия во всех пространственных направлениях соединены мостиками из кислорода. За счет этого конструкция получается жесткой, и при обратимом проникновении катионов лития материал быстро разрушается.

«Нашей идеей было попробовать сделать эту структуру более "рыхлой". Для этого мы решили заменить один из четырех таких мостиков с кислородом на органический фрагмент, который препятствовал бы сборке материала в трехмерный полимер, — поясняет кандидат химических наук Михаил Сыроешкин. — Мы получили так называемые органические сесквиоксиды германия. Приставка "sesqui" переводится с латинского как "полтора" и означает, что на один атом германия приходится полтора атома кислорода. Синтезированные вещества хорошо известны, полностью безопасны и нетоксичны, в отличие от неорганических соединений германия. Они даже нашли применение в медицине, поскольку наличие органического фрагмента позволяет использовать их как хорошо усваивающийся германий. Наиболее распространенный сесквиоксид 2-карбоксиэтигермания, впервые полученный в ИОХ АН СССР, до недавнего времени использовали в качестве биодобавки».

Ученые обратили внимание на специфические структурные формы этих соединений — двумерные и одномерные полимеры. Задачей исследователей было сделать материал с как можно более мелкими частицами, тем самым увеличив общую площадь их поверхности. Важно, чтобы сесквиоксид, сохраняя структуру и не разрушаясь, мог взаимодействовать с максимальным количеством катионов лития. Для этой цели оказалось полезным другое его качество — растворимость в воде. Исследователи решили применить сублимационную сушку водных растворов — очень простой доступный метод, который применяют, например, при получении растворимого кофе. Раствор замораживают и из него сублимируют воду, то есть испаряют из твердого состояния сразу в газообразное. При выпаривании воды молекулы соединения начинают собираться вместе и кристаллизоваться — подобный процесс мог наблюдать любой, кто у себя дома или в школе растил кристаллы соли из раствора. Однако, когда раствор заморожен, молекулам сложно двигаться друг к другу и собираться в крупные частицы. В результате полученный препарат выглядит как цветок хризантемы, собранный из тонких — толщиной всего в несколько десятков нанометров — волокон. Испытания такого материала показали его емкость, в два раза большую по сравнению с классическим графитом. При этом его структура гораздо стабильнее, чем диоксид германия.

На фото Михаила Сыроешкина: внешний вид частиц из органических сесквиоксидов германия, полученный с помощью сканирующего электронного микроскопа


 

Похожие новости

  • 25/04/2018

    Сотрудники ОмГТУ исследовали поведение двухкомпонентной газовой смеси при ее осаждении

    ​Сотрудники Омского государственного технического университета (ОмГТУ) построили решеточную модель и исследовали поведение двухкомпонентной газовой смеси при ее осаждении на поверхность твердого тела. Полученные данные иллюстрируют практически все возможные варианты взаимодействия молекул на плоскости и могут быть полезны для истолкования результатов специалистов в самых разных областях химической науки.
    849
  • 03/01/2019

    Обнаружены особенности образования соединений, мешающих добыче нефти и газа

    ​​Ученые из Института неорганической химии имени А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук (ИНХ СО РАН) исследовали реакцию образования кристаллических соединений воды и газа (газовых гидратов) с метастабильной (неустойчивой) структурой.
    1524
  • 07/11/2017

    Химики объединились, чтобы ускорить создание новых материалов

    ​Томский государственный университет и Российский химико-технологический университет им. Д.В. Менделеева подписали соглашение о сотрудничестве. Взаимодействие двух ведущих научных центров будет направлено на разработку совместных образовательных программ и исследовательских проектов, создание уникальных химических технологий и материалов.
    1014
  • 06/04/2018

    Ученые научились управлять сложной биохимической реакцией с помощью света

    ​Российские химики совместно с коллегой из США объединили в один процесс две химические реакции с разными условиями протекания и получили реакцию, ход которой можно регулировать с помощью света. Результаты работы будут полезны для поиска новых путей получения необходимых соединений и создания «умных» материалов.
    843
  • 09/07/2020

    Физики изучают возможность генерации «закрученных» поверхностных плазмон-поляритонов на Новосибирском лазере на свободных электронах

    ​Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирского государственного университета (НГУ) совместно с коллегами из Самарского национального исследовательского университета имени академика С.
    1018
  • 24/01/2020

    Сибирские химики разрабатывают катализаторы для очистки воздуха от опасных выхлопов

    ​Коллектив научно-исследовательской лаборатории каталитических исследований химического факультета ТГУ опубликовал статью в высокорейтинговом журнале Applied Catalysis B: Environmental. Сотрудники лаборатории разрабатывают катализаторы экологического назначения – для нейтрализации опасных веществ, в частности, угарного газа, а также частиц сажи, являющихся составляющей выхлопов автотранспорта.
    373
  • 26/02/2020

    Иркутские химики получили грант на создание лаборатории квантовохимического моделирования молекулярных систем

    ​Иркутские химики создадут лабораторию за 20 млн рублей. Деньги в виде гранта выделены Российской академией наук и Министерством науки и высшего образования Российской Федерации.«Компьютерное моделирование позволяет квантовым химикам Иркутского государственного университета без непосредственного контакта с вредными веществами получать широкий спектр информации о свойствах молекул и реакциях между ними.
    376
  • 11/10/2019

    Электрохимия на службе у фотоники: как углеродные нанотрубоки управляют лазерными импульсами

     Международная команда ученых, которую возглавила группа из Лаборатории наноматериалов Центра фотоники и квантовых материалов Сколковского института науки и технологий, показала возможность управления нелинейно-оптическим откликом углеродных нанотрубок с помощью электрохимического легирования.
    432
  • 29/08/2016

    Международный консорциум ученых исследует Сибирский арктический шельф

    ​Более половины арктических территорий, имеющих государственную принадлежность, входят в состав Российской Федерации. Огромные запасы природных ресурсов, главная северная транспортная артерия - Северный морской путь, уникальные природные экосистемы, многочисленные северные народности - все вместе это настоящее достояние России.
    1597
  • 24/12/2019

    Химики ТПУ в сотрудничестве с учеными СО РАН будут разрабатывать биологически активные соединения на основе ацетилена

    В Исследовательской школе химических и биомедицинских технологий Томского политеха формируется новая научная группа. Совместно с учеными из Института химической кинетики и горения СО РАН под руководством профессора Сергея Василевского политехники будут вести исследования в новом для вуза направлении — химии ацетилена.
    398