В новых созданных в ИФХЭ РАН в 2021 году литий-ионных аккумуляторах повышенной емкости, способных функционировать при пониженных температурах (до -50 градусов), в качестве электрода используются массивы из нановолокон германия.
Недостаток новых электродов в том, что при многократной зарядке - разрядке на них появляются микротрещины и часть нановолокон теряет контакт с основным материалом. В результате емкость аккумулятора снижается.
Рассказывает доктор химических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН Александр Скундин:
«Перед лабораторией стояла задача: синтезировать материал, способный обратимо внедрять литий, но обладающий стабильностью к циклической зарядке. В качестве электродов применяют композиты фосфора с углеродом. В нашей лаборатории решили использовать вместо углерода другой элемент – германий».
Титановые пластины с нанесенным массивом нановолокон германия в перчаточном боксе с атмосферой аргона помещали в ампулы из нержавеющей стали и туда добавляли порошок красного фосфора. При выдерживании в трубчатой печи при температуре 600-650 градусов происходила возгонка фосфора, который при остывании конденсировался на поверхности нановолокон германия. При взаимодействии элементов образовался фосфид германия GeP. При этом нановолокна германия (диаметр 20−40 нм и длина 0.2−0.8 мкм) преобразовывались в наностержни фосфида германия (диаметр 250 - 500 нм и длина 0.2 - 10 мкм).
Эксперименты показали, что при медленной зарядке (2.5 часа) удельная ёмкость электродов из фосфида германия близка к теоретически достижимой (1915 мАч/г). При длительности зарядки 9 минут и в 16 раз большем токе зарядки, емкость, как и положено, снижалась и составляла около 500 мАч/г.
«Традиционные графитовые электроды такого режима не выдерживают вообще, а при небольшом токе имеют удельную ёмкость 320−350 мАч/г», - подчеркнул Александр Скундин.
Источник: пресс-служба ИФХЭ РАН
«Одна из главных задач лаборатории – усовершенствование внедрения в фосфид германия другого элемента – натрия, - продолжил Александр Скундин. -Ёмкость по внедрению натрия составила около 1300 мАч/г в очень мягком, 50-ти часовом режиме, и около 200 мАч/г в трёхчасовом режиме».
Работа поддержана Российским научным фондом (проект № 21-13-00160).
По материалам: Kulova Tatiana, Gryzlov Dmitrii, Skundin Alexander, Gavrilin Ilya, Martynova Irina, Kudryashova Yulia. Causes of Germanium Phosphide Degradation under Prolonged Cycling. EIS Study. International Journal of Electrochemical Science, 17, 2022, DOI: 10.20964/2022.02.40
