Создана модель пленки с графеном для аккумуляторов нового поколения
Ученые Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского нашли способ, который может изменить принцип работы аккумуляторов. Созданная ими атомистическая модель трехслойной квази 2D-пленки на основе графена и оксидно-фосфатных соединений лития может стать основой для аккумуляторов нового поколения — более быстрых, долговечных и безопасных.
Исследователи изучили композит с архитектурой LVP/графен/LTO, где сверху расположен фосфат ванадия-лития, снизу — титанат лития, а между ними лежит прочный проводящий слой графена. Эта трехслойная пленка продемонстрировала редкое сочетание свойств: она способна удерживать большое количество энергии и быстро отдавать ее внешней нагрузке, объединяя преимущества литий-ионных аккумуляторов и суперконденсаторов.
Новый материал представляет собой «энергетический сэндвич»: верхний и нижний слои взаимодействуют с литием, а графен в середине — тонкий, но необычайно прочный и проводящий «лист», который удерживает всю конструкцию и ускоряет движение заряда. Такое сочетание делает структуру гибкой, эффективной и потенциально пригодной для аккумуляторов, которые могут заряжаться быстрее современных и служить гораздо дольше.
При моделировании авторы использовали собственную методику расчета квантовой емкости — ключевого параметра для точного прогноза будущих характеристик. Она учитывает, как изменяется квантовая емкость по мере изменения числа атомов лития в структуре.
«Методика расчета квантовой емкости, не учитывающая изменение химического состава системы, известна давно. Но чтобы оценить пригодность нашего материала в качестве электрода не только для суперконденсатора, но и для литий-ионных аккумуляторов, необходимо оценивать квантовую емкость с учетом изменения состава. Такая новая оригинальная методика и была нами разработана», — рассказал один из авторов разработки, доцент кафедры радиотехники и электродинамики СГУ Владислав Шунаев.
Благодаря этой методике удалось оценить квантовую емкость материала — показатель, определяющий, сколько заряда он способен накопить. Результаты оказались впечатляющими: до 868,00 мА·ч/г и 750,24 мА·ч/г в разных режимах работы, что значительно превосходит характеристики многих традиционных электродных материалов.
По словам ученых, пока результаты существуют в виде компьютерной модели. Следующий шаг — синтезировать материал в лаборатории и проверить расчеты экспериментально. Если прогнозы подтвердятся, новая архитектура электродов может изменить подход к созданию аккумуляторов в целом — от персональной электроники до транспортных систем, так как композитная трехслойная пленка способна решить сразу три главных проблемы в работе телефонов, ноутбуков и электромобилей: скорость зарядки, срок службы и безопасность.
Работа опубликована в журнале «Electrochimica Acta», поддержана грантом Российского научного фонда № 25-22-00290 и реализуется в рамках программы стратегического развития «Приоритет-2030».
Источник: Пресс-служба СГУ