Слушать новости
Размер шрифта
Маленький текст
Средний текст
Большой текст

Новости науки

Ученые повысили электрохимический потенциал титана

Российские ученые создали электродный материал на основе фторидофосфата титана, электрохимический потенциал которого превосходит большинство известных ранее титановых соединений почти в два раза. Невысокая цена и доступность этого вещества позволят создавать на его основе эффективные и безопасные аккумуляторы для электромобилей и систем хранения энергии. Работа опубликована в журнале Nature Communications. Исследование поддержано Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда.

Бурный рост числа электромобилей, развитие интеллектуальных энергосетей и планы по строительству масштабных стационарных систем накопления электроэнергии подталкивают ученых к разработке экономически обоснованных, надежных и эффективных аккумуляторов из доступного сырья. Энергоемкость и долговечность современного аккумулятора напрямую зависит от состава и структуры материала положительного электрода — катода. С химической точки зрения катод в большинстве случаев представляет собой оксид лития и кобальта.

Природные запасы лития достаточно сильно ограничены, имеются не во всех регионах планеты и скоро могут иссякнуть. Поэтому сейчас отчетливо обозначена тенденция перехода от него к другим, более распространенным, щелочным металлам, позволяющим сохранить архитектуру аккумулятора, среди которых значительное внимание уделяют калию. Кобальт же является весьма дорогим и токсичным металлом, серьезно осложняющим процесс переработки и утилизации отработавших аккумуляторов. Поэтому ученые активно ищут альтернативу и ему, что особенно актуально для производства крупногабаритных металл-ионных аккумуляторов.

Одним из кандидатов на замену кобальта может стать титан. Он занимает десятое место в списке самых распространенных элементов в земной коре, к тому же недорогой и безопасный. За счет этого он мог бы быть крайне привлекательным с коммерческой точки зрения. Однако большинство известных соединений титана могут обеспечить лишь относительно небольшой электродный потенциал (до 2 В). Поэтому их всегда рассматривали исключительно в качестве материалов отрицательного электрода — анодов.

Российские ученые из Сколтеха совместно с коллегами с химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова смогли создать перспективный катодный материал на основе фторидофосфата титана, KTiPO4F, для нового поколения калий-ионных аккумуляторов. Материал был получен из порошка металлического титана и смеси фосфатов и фторида калия в процессе низкотемпературного гидротермального синтеза. Ученые проанализировали электрохимические свойства нового титанового соединения. Его электродный потенциал превзошел известные ранее почти в два раза и достиг 3,6 В. После этого с помощью квантово-химических вычислений авторы исследования показали, что в будущем этот показатель можно поднять сильнее. Более того, материал является крайне устойчивым к температурам при нагреве вплоть до 600 °C и не теряет емкость на протяжении большого числа циклов заряда и разряда при высокой нагрузке.

«Материалы на основе титана ранее воспринимались исключительно как анодные из-за своего низкого потенциала. Созданный нами катодный материал, который обладает весьма высоким потенциалом, достигающим 3,6 В, опровергает этот стереотип. Полученные результаты могут стать стимулом к разработке новых титансодержащих катодных материалов с уникальными электрохимическими характеристиками, что повлечет за собой создание доступных и недорогих металл-ионных аккумуляторов с конкурентными энергетическими показателями. С социально-экономической точки зрения такие аккумуляторы смогут обеспечить устойчивое развитие электротранспорта, повсеместное внедрение систем накопления и хранения энергии, создание «умных» энергосетей и в перспективе переход к ресурсосберегающей, зеленой экономике», — прокомментировал руководитель проекта Станислав Федотов, кандидат химических наук, профессор Сколтеха.