Московский политехнический университет разрабатывает новые электродные материалы для литий и натрий ионных аккумуляторов и суперконденсаторов, предназначенных для систем накопления энергии электротранспорта. Исследование ведется при поддержке гранта конкурса имени П.Л. Капицы Московского Политеха в рамках федеральной программы «Приоритет 2030». Об этом рассказывает информационное агентство «ТАСС».
Литий-ионные аккумуляторы сегодня остаются основным источником энергии для электромобилей, однако у них есть серьезные ограничения. При низких температурах емкость батареи падает на 40–50%, что резко сокращает запас хода. При высоких нагрузках существует риск теплового пробоя — аккумулятор перегревается, может воспламениться или начать выделять газ. Немаловажна и стоимость: электроды составляют почти 60% цены всего устройства. При этом отечественной технологии производства литий-ионных аккумуляторов в России до сих пор нет — большинство производств работает на основе зарубежных материалов и решений. Частично компенсировать слабые стороны аккумуляторов способны суперконденсаторы. Они заряжаются за секунды, выдерживают сотни тысяч циклов заряда-разряда и стабильно работают при экстремальных температурах. В гибридной системе суперконденсатор берет на себя пиковые нагрузки — резкое ускорение или торможение — пока аккумулятор обеспечивает основной запас хода. Такая связка позволяет продлить срок службы батареи и повысить общую эффективность энергосистемы электромобиля.
В основе разработки политехников — тонкие пленки наноструктурированного оксида вольфрама, наносимые на токопроводящие подложки методом электрохимического (катодного) электроосаждения. Такой подход позволяет получать электроды с упорядоченной структурой и большой удельной площадью поверхности, что напрямую влияет на емкость и скорость заряда устройства. Уже полученные образцы демонстрируют впечатляющие электрохимические характеристики: удельная емкость достигает 630 Ф/г для суперконденсаторов и 685 мАч/г для литий-ионных аккумуляторов, приближаясь к теоретическому пределу для электродов на основе WO₃ (693 мАч/г для литий-ионных систем и свыше 1000 Ф/г для псевдоемкостных материалов в суперконденсаторах), что соответствует уровню лучших мировых аналогов, а в ряде случаев превосходит показатели широко применяемых сегодня электродных материалов. Помимо этого, оксид вольфрама меняет светопропускание под воздействием электрического напряжения, что открывает возможность использовать те же материалы в «умных» стеклах с регулируемой прозрачностью и защитных покрытиях от электромагнитного излучения.
«Наша задача — разработать отечественную технологию получения электродных материалов, превосходящих зарубежные аналоги по ключевым параметрам — удельной емкости, скорости заряда и эксплуатационной безопасности, — отмечает руководитель проекта, доцент Алексей Щегольков. — Создаваемые материалы характеризуются высокой универсальностью и могут быть эффективно использованы в литий- и натрий-ионных аккумуляторах, суперконденсаторах и функциональных покрытиях, что формирует основу для единой отечественной платформы электрохимических накопителей энергии, включая решения для электротранспорта. В настоящее время в рамках проекта освоены технологии катодного электроосаждения тонкопленочных покрытий на основе WO3, MoO3, берлинской лазури и восстановленного оксида графена; данные материалы демонстрируют высокий потенциал не только в системах накопления энергии, но и в задачах защиты от электромагнитного излучения и сенсорики. В ближайшей перспективе планируется внедрение методов реактивного магнетронного распыления для формирования тонкопленочных электродов нового поколения, ориентированных на применение в суперконденсаторах, а также литий- и натрий-ионных аккумуляторах».
Исследование рассчитано на три года. В первый год ученые отработают технологию синтеза и режимы нанесения оксид-вольфрамовых пленок, проведут их электрохимические испытания. На втором году планируется изготовить макетные образцы гибридной системы накопления энергии и испытать их в лабораторных условиях. На третьем — разработать технологический регламент и подготовить рекомендации по масштабированию для промышленного применения. К работе будут привлечены студенты профильных специальностей, а партнерами по исследованию выступят Южно-Российский государственный политехнический университет имени М.И. Платова и ПАО Энергия, г. Елец.
