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.
