​Сотрудники химического факультета и факультета наук о материалах МГУ имени М. В.Ломоносова  запатентовали  электрохимическую ячейку, позволяющую с помощью высокочувствительных методов анализа поверхности изучать химические процессы в материалах аккумуляторов. Об этом сообщает пресс-служба университета.

Разработка позволит понять процессы, возникающие при использовании литий-воздушных аккумуляторов. Этот тип аккумуляторов при одинаковой массе обладает в 5 раз большей ёмкостью, чем широко распространённые литий-ионные.  

Чтобы повысить эффективность работы аккумуляторов, ученые во всем мире предлагают использовать новые химические реакции, которые, протекая при зарядке и разрядке батареи, позволяют получить более высокий удельный энергозапас. Одной из наиболее перспективных альтернатив самым распространенным сейчас литий-ионным аккумуляторам считаются литий-воздушные элементы.

Литий-воздушные аккумуляторы вырабатывают электроэнергию буквально из воздуха: принцип их работы основан на окислении лития кислородом воздуха до пероксида лития Li2O2. Они легкие и могут обеспечить примерно в 5 раз большую удельную энергию, чем литий-ионные аккумуляторы. Но, несмотря на преимущества, промышленное производство литий-воздушных аккумуляторов пока не запущено: разработчики сталкиваются с фундаментальными и технологическими сложностями. Одним из существенных недостатков инновационных аккумуляторов стала быстрая деградация положительного электрода батареи, который, как правило, сделан из углерода. Уже после десятка циклов зарядки-разрядки аккумулятор перестает работать.

Чтобы определить insitu(т.е. непосредственно во время работы) процессы, которые приводят к необратимым изменениям в электролите и электродах, специалисты создают модельные электрохимические ячейки. С помощью своей разработки научная группа химиков из МГУ под руководством доктора химических наук, профессора Лады Яшиной выяснили, что к разрушению положительного электрода в литий-воздушных батареях приводит реакция углерода с очень активным и при этом короткоживущим супероксидом лития LiO2, а не пероксидом Li2O2, как считалось ранее. Супероксид в ячейке «живет» всего несколько секунд, однако за это время успевает окислить поверхность углеродного электрода.

Ключевым аналитическим методом, прояснившим причину деградации электрода, стала рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия. Метод позволяет детально исследовать процессы на поверхности, при этом глубина зондирования может достигать всего одного атомного слоя. Однако в обычных электрохимических ячейках электроды или слой электролита оказываются слишком толстыми и поглощают фотоэлектроны, тем самым мешая «увидеть», что происходит на поверхности раздела электрод-электролит. Сотрудники МГУ решили эту проблему, нанеся на твердый электролит одноатомный графеновый слой, который прозрачен для фотоэлектронов. 

«В использовании графена сегодня нет ничего необычного, во многих лабораториях по всему миру научились выращивать графен и переносить его на нужную подложку, — поясняет один из авторов патента старший научный сотрудник кафедры неорганической химии Даниил Иткис. — Обычно графен выращивают на поликристаллической медной фольге. Мы научились переносить графен на самые разные подложки, в том числе на твёрдый литий-проводящий электролит, о котором идет речь в патенте». 

Разработанная ячейка позволяет исследовать процессы не только в литиевых батареях, но и в источниках тока с другими носителями заряда. Например, благодаря использованию графена, действующего в ячейке в качестве рабочего электрода, можно определить, при каких потенциалах электролиты различных источников тока перестают быть устойчивыми, и какие процессы сопровождают деградацию электролитов. Поэтому разработка поможет понять, как улучшить аккумуляторы самого разного типа.

Дарья Смирнова, кафедра фотожурналистики и технологий СМИ МГУ

Источники

Графен помог понять механизм работы литиевых аккумуляторов нового типа
Nanonewsnet.ru, 12/08/2018
Графен помог понять механизм работы литиевых аккумуляторов нового типа
SMIonline (so-l.ru), 12/08/2018
Графен помог понять механизм работы литиевых аккумуляторов нового типа
Новости@Rambler.ru, 12/08/2018
Графен помог понять механизм работы литиевых аккумуляторов нового типа
Индикатор (indicator.ru), 12/08/2018
Химики МГУ запатентовали новый тип электрохимических ячеек с однооатомным слоем графена
Научная Россия (scientificrussia.ru), 12/08/2018
Графен помог ученым МГУ понять механизм работы литиевых аккумуляторов нового типа
Нанометр (nanometer.ru), 10/08/2018
Графен помог ученым МГУ понять механизм работы литиевых аккумуляторов нового типа
Новости науки (novostinauki.ru), 10/08/2018
Графен помог ученым МГУ понять механизм работы литиевых аккумуляторов нового типа
На Западе Москвы (na-zapade-mos.ru), 09/08/2018

Похожие новости

  • 12/05/2016

    Российские физики смоделировали акустические волны в пьезоэлектрических микроструктурах

    ​Физики из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов, Московского физико-технического института и Сибирского федерального университета смоделировали акустические волны в пьезоэлектрических микроструктурах, на основе которых можно создать компактные и высокочувствительные датчики.
    1158
  • 13/12/2017

    Российский физик нашел новый способ запустить термоядерную реакцию

    Физик из МГУ и Института прикладной математики РАН доказал, что термоядерную реакцию можно запустить, используя уже существующие ускорители плазмы и магнитные ловушки, что может ускорить создание чистых источников энергии, говорится в статье, опубликованной в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion.
    778
  • 25/09/2018

    Команда ученых МИФИ победила в конкурсе РНФ «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых»

    ​Команда ученых из МИФИ в рамках грантового проекта, одержавшего победу в конкурсе Российского научного фонда по мероприятию "Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых" планирует достичь эффективности на квантовых точках на основе плазмонов благородных металлов.
    223
  • 15/12/2017

    Российские ученые исследовали взаимодействия одиночных импульсов

    ​Российские ученые изучили поведение одиночных импульсов волн - однократных возмущений, распространяющихся в пространстве или в среде, - при их столкновении в нелинейных средах. Результаты работы ученых из России и Швеции опубликованы в журнале Nonlinear Dynamics.
    720
  • 16/05/2017

    Ученые СФУ разработали наиболее эффективный материал для аккумулирования водорода

    Красноярские ученые получили новый материал для хранения водорода, сообщила пресс-служба Сибирского федерального университета (СФУ). Материал на основе гидрида магния может хранить массу водорода, составляющую около 7% его собственной массы, и это рекордное значение емкости для всех аналогичных материалов.
    767
  • 10/04/2018

    Российские химики выяснили, как повысить емкость батареек в 1,5 раза

    ​Химики из России нашли способы повысить энергетическую емкость щелочных батареек и аккумуляторов почти в 1,5 раза, изучая свойства концентрированных солей лития, говорится в статье, опубликованной в журнале Electrochimica Acta.
    417
  • 21/04/2017

    Красноярские физики получили нанодисперсные порошки для создания аккумуляторов водорода

    Ученые Сибирского федерального университета и Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН разработали технологию синтеза нанодисперсных порошков магния, которые могут стать перспективным материалом для изготовления аккумуляторов водорода для автомобильного транспорта.
    1173
  • 15/01/2018

    Российские ученые выяснили, как способ обработки полипропилена влияет на механические свойства конечного изделия

    ​Коллектив учёных, в том числе из Института синтетических полимерных материалов РАН и МФТИ, выяснил, как «правильность» молекул полипропилена и способ обработки влияют на механические свойства конечного изделия.
    524
  • 04/10/2018

    Фестиваль науки «Кстати» состоялся в Новосибирске

    Фестиваль науки «Кстати» прошёл в Новосибирске в третий раз. Темой этого года стал «Горизонт событий». 30 мероприятий фестиваля за пять дней посетили около 2500 человек. Главного события — открытия нового Информационного центра по атомной энергии в НГТУ — новосибирцы ждали особенно.
    282
  • 20/08/2018

    Учеными созданы железные спирали тоньше человеческого волоса

    ​Исследователи СПбГУ смогли синтезировать микроспирали соединений железа диаметром около 12 микрон - почти в десять раз тоньше человеческого волоса. Их можно будет использовать, например, для создания сенсоров с высокой чувствительностью, а также в качестве миниатюрных электромагнитов или индукторов.
    219