Учёные Сколтеха опубликовали в журнале Progress in Materials Science обзор, в котором предложили заменить дорогие и редкие металлы в аккумуляторах на широкодоступные органические соединения — нафталин, антрацен и пирен. Работа поддержана грантом РНФ и обобщает более десяти лет исследований в этой области.
Нафталин многие знают как нафталиновые шарики от моли, антрацен используется в производстве красителей, пирен входит в состав каменноугольной смолы — все они относятся к классу полициклических ароматических углеводородов. Их уникальные электронные свойства делают такие вещества очень перспективными для хранения энергии. В отличие от графита, который сегодня применяется в анодах большинства литиевых батарей и имеет жёсткую структуру, молекулы углеводородов можно «настраивать» под конкретные задачи, добавляя атомы других элементов или функциональные группы.
Как сообщает CNews, первый автор работы Илья Чепкасов, старший научный сотрудник Сколтеха, пояснил: «Мы показали, что обычные ароматические соединения, такие как нафталин или антрацен, способны работать не хуже, а в некоторых случаях и лучше дорогих синтетических материалов. Их главное преимущество — это возможность точной настройки электрохимических свойств с помощью введения атомов других элементов или функциональных групп. Это открывает путь к созданию аккумуляторов, в которых ключевые компоненты будут синтезироваться из возобновляемого сырья».
Отдельно учёные исследовали применение углеводородов для так называемой предварительной металлизации электродов. Это решает одну из ключевых проблем аккумуляторов: в первые циклы работы батареи часть ионов металла безвозвратно теряется — они уходят на формирование защитной плёнки на аноде. Реагенты литий-нафталенид и натрий-бифенил действуют как мягкие химические доноры ионов и насыщают анод металлом ещё до сборки аккумулятора. «Эта технология решает фундаментальную проблему первых циклов работы батареи, когда значительная часть ионов металла тратится на формирование защитной плёнки на аноде и безвозвратно теряется», — объяснил соавтор работы Станислав Евлашин, доцент Сколтеха.
Ещё одна важная разработка — технология химической регенерации с использованием пирен-литиевых комплексов. Она позволяет восстанавливать уже отработавшие батареи, возвращая им до 100% первоначальной ёмкости. Обзор также охватывает применение методов машинного обучения для поиска оптимальных молекул. По словам руководителя исследования, профессора Александра Квашнина, «машинное обучение сейчас повсеместно используют при создании аккумуляторов. За последние пару лет из экспериментального метода оно превратилось в обычный рабочий инструмент». Химическое пространство полициклических ароматических углеводородов насчитывает миллионы возможных структур, и без помощи ИИ проверить каждую из них экспериментально было бы невозможно.
