Ви є тут

В лабораторіях вчених. Хіміки-неорганіки – енергетиці


В лабораторіях вчених. Хіміки-неорганіки – енергетиці

Пройшло майже 20 років відтоді, як фірмою SONY була комерціалізована, можливо, одна з найвидатніших розробок кінця ХХ століття – літій-іонний акумулятор (ЛІА). На сьогодні це найбільш енергоємний електрохімічний накопичувач енергії, який широко використовується для живлення ноутбуків, відеокамер, мобільних телефонів та інших електронних пристроїв. Дуже заманливою є перспектива його використання в електромобілях. Але поки що цьому перешкоджають деякі недоліки такого акумулятора, які роблять таке використання проблематичним. Серед них найважливіші: токсичність багатьох речовин, які входять до його складу; недостатньо високі характеристики за потужністю (іншими словами, неможливість відбору достатньо високих величин струму, необхідних при роботі в тяговому режимі); потенційна небезпечність в експлуатації – при випадковій розгерметизації (що цілком можливо при попаданні електромобіля в дорожно-транспортну пригоду) акумулятор легко загоряється.

У межах проекту №2991-ф “Нові матеріали сучасних енергоперетворюючих систем: синтез, структура, фізико-хімічні та електрохімічні властивості, застосування”, що виконувався на кафедрі загальної та неорганічної хімії у 2006-2008 рр., проведено низку фундаментальних досліджень, результати яких сприятимуть розробці нового покоління літій-іонних акумуляторів без зазначених недоліків. Ці дослідження присвячені синтезу й вивченню властивостей нових наноматеріалів, які в перспективі можуть бути використані як активні компоненти енергоперетворюючих пристроїв та в інших галузях сучасної техніки і технології.

Наукові результати, отримані при виконанні проекту, можна застосувати для вирішення всіх трьох вищеназваних проблем ЛІА.

Оскільки найбільш токсичними компонентами ЛІА є сполуки кобальту, вивчалися можливості їх заміни на менш токсичні і дешевші матеріали. Для цього було досліджено частину фазової діаграми системи Li-Mn-Co-O і знайдено області існування активних матеріалів, що містять мінімальну кількість кобальту. Зокрема, синтезовано сполуку LiMe 2 O 4 зі структурою шпінелі, що містить лише 20% атомів кобальту в структурних позиціях Ме (решта – дешевий і нетоксичний манган), яка має дуже непогані електрохімічні властивості і може бути використана замість традиційного LiCoO 2 в позитивному електроді ЛІА. Така заміна зменшить токсичність матеріалу і знизить його вартість.

Величина робочого струму акумулятора значною мірою лімітується властивостями негативного електрода, що виготовляється зі спеціальних марок графіту. Виявлено, що можна створити на поверхні графіту нанорозмірні каталітичні центри, що містять певні d-метали, які суттєво покращують роботу матеріалу електрода при високих струмах. Такі центри створюються шляхом піролізу комплексних сполук металів, попередньо нанесених на поверхню графіту. Цей результат можна використати для розробки більш потужних акумуляторів для електромобілів.

Вищезазначені результати можуть бути використані для вдосконалення ЛІА, але вони не вирішують проблему його безпеки. Найбільш пожежонебезпечним компонентом акумулятора є матеріал негативного електрода в зарядженому стані, що являє собою дуже хімічно активну сполуку літію з графітом. Для підвищення безпеки ЛІА необхідно замінити графіт іншим матеріалом, наприклад, оксидами деяких металів у нанодисперсному стані (це є важливим, тому що електрохімічна активність крупнокристалічних матеріалів є надзвичайно низькою або й зовсім відсутня). В межах проекту запропоновано новий метод синтезу подібних оксидів шляхом окиснення металів або їх сполук у розплаві нітратів з регульованою основністю. Із застосуванням цього методу синтезовано електрохімічно активні оксиди стануму й титану у вигляді кристалів з розмірами від 8 до 30 нанометрів. Перші досліди показали, що подібні наноматеріали здатні електрохімічно впроваджувати літій, що й потрібно для роботи електрода ЛІА. На шляху до їх впровадження на заміну графіту, однак, ще потрібно навчитися їх використовувати, оскільки традиційні методи виготовлення електродів для таких дуже дрібнодисперсних матеріалів не зовсім підходять.

Кожне справжнє наукове дослідження не лише дає відповіді на поставлені питання, а й ставить нові проблеми. Часто буває так, що в ході виконання робіт з'являються результати, які зовсім не передбачувались при постановці робіт – і саме такі результати бувають іноді надзвичайно цікаві. Ця робота також дала кілька несподіваних результатів у частині, що стосується нанодисперсних оксидів. Зокрема, як виявилося, за певних умов можна одержати нанокристали оксидів титану зовсім іншої форми, у вигляді так званих “нанодротів” (інші назви: нанопрути, нановолокна).

Подібні “одновимірні” (1-D) кристали різних матеріалів в останні кілька років інтенсивно вивчаються у зв'язку з їх можливим використанням у новітніх надмініатюрних приладах (квантова наноелектроніка), які незабаром прийдуть на зміну звичайним напівпровідниковим мікросхемам чи транзисторам. Тому подальше вивчення отриманого матеріалу є надзвичайно цікавим як з науковоого, так і з практичноого погляду. Поряд з іншими напрямками, це буде предметом майбутніх досліджень науковців кафедри.

Ще одним важливим результатом виконання проекту його керівник д.х.н. О.О.Андрійко називає формування перспективного колективу молодих науковців, до якого входять два кандидати хімічних наук (Н.Є.Власенко, В.А.Потаскалов), аспіранти Ірина Коваленко та Арсеній Шпак, а також студенти ХТФ – магістранти Людмила Черненко (гр. ХН-31) та Артур Зульфігаров (гр. ХН-32).

Останні двоє займаються науковою роботою на кафедрі з першого курсу. Рік тому вони успішно захистили свої бакалаврські дипломні роботи, а нині працюють над магістерськими. У квітні цього року їх роботи завоювали 2-ге місце на Всеукраїнському конкурсі студентських наукових робіт з хімії, що проводився в Дніпропетровську. Наявність такої молодої зміни дозволяє колективу кафедри з оптимізмом дивитися в майбутнє.

В.Ігнатович, к.т.н.

x

Електронний кампус

Інформаційні ресурси

Викладачі КПІ

GitHub репозиторій