Российские ученые детально изучили электрохимические процессы, которые происходят на электродах из германия. Ранее эта же исследовательская группа предложила использовать их в аккумуляторах, что увеличит емкость накопителей заряда в пять раз и позволит дольше разряжаться на холоде. Новое исследование поможет оптимизировать разработку и использовать ее в приполярном климате. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Electroanalytical Chemistry.

Литий-ионные аккумуляторы широко распространены в современной технике, поскольку очень просты в использовании, могут многократно перезаряжаться, а также обладают относительно высокой емкостью. Электрический заряд, благодаря которому такие устройства вырабатывают энергию, переносится между двумя пластинами — электродами, — одна из которых состоит из графита, а вторая из соединений лития с кобальтом или лития с железом. Один из недостатков литий-ионных аккумуляторов состоит в том, что они теряют емкость на холоде, а потому быстро разряжаются. Этот эффект связан с тем, что электроды менее эффективно захватывают и отдают ионы лития. Поэтому ученые ищут соединения, которые позволят электродам сохранять накапливаемую энергию даже при низких температурах.

В более раннем исследовании химики из Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН (Москва), Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники» (Москва) и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) разработали отрицательные электроды (аноды) на основе нанопроволок из германия. Этот химический элемент при взаимодействии с электролитом в аккумуляторах создает десять различных соединений с литием. Благодаря этому емкость такого материала достигает 1624 мА×ч/г, что в пять раз выше, чем у графита в обычных аккумуляторах в смартфонах. Более того, он эффективно работает даже при температуре -50°С.

В новом исследовании ученые более детально оценили, как германиевые электроды работают при низких температурах. Для этого химики синтезировали нанопроволоки электрохимическим способом из водного раствора оксида германия на титановой проводящей подложке без использования связующих и электропроводных добавок. После этого они собрали герметичные ячейки с полученными электродами и электролитом. Эксперименты по заряду и разряду ячеек проводили при температурах от +20 °С до -40 °С.

Выяснилось, что при зарядке на поверхности электродов формировалась нерастворимая пленка, состоящая из продуктов восстановления электролита. Чтобы оценить эффективность работы электродов, ученые измерили полное сопротивление ячейки во время процесса зарядки и разрядки электродов при отрицательных температурах. Оказалось, что сопротивление нерастворимой пленки в процессе присоединения и отдачи лития при понижении температуры до -40°С увеличивается незначительно и практически не влияет на работу электрода при пониженных температурах. Но при этом сопротивление переноса заряда увеличилось на порядок, что внесло свой вклад в уменьшение емкости.

«Наше исследование позволило определить, как изменение процесса переноса заряда при низких температурах влияет на емкость германиевых электродов. Полученные результаты позволят оптимизировать предложенную нами систему на основе нанонитей германия для работы при отрицательных температурах, что очень актуально для приполярных районов. В дальнейшем мы попытаемся найти новый материал катодов, чтобы еще больше усовершенствовать литий-ионные аккумуляторы», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Илья Гаврилин, кандидат химических наук, сотрудник Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН.