Эксперты Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН совместно с исследователями Еврейского университета в Иерусалиме совершили значимый шаг в области энергетики, представив оригинальный анодный материал для натрий-ионных аккумуляторов. В центре внимания их работы находится уникальная комбинация максена (MXene) и сульфида германия, позволяющая добиться стабильности и высокой производительности на протяжении множества циклов даже при экстремально быстрых зарядах и разрядах. Появление данной технологии открывает новые перспективы для создания продвинутых источников энергии с впечатляющей удельной электрохимической емкостью.
Свойства и перспективы современных анодных материалов
В настоящее время анодные материалы, применяемые в металл-ионных аккумуляторах, делятся на три основные категории. Интеркаляционные составы характеризуются тем, что позволяют ионам металлов внедряться в их кристаллическую решетку без серьезных структурных изменений, что обеспечивает им повышенную стабильность и большой срок эксплуатации. Неудивительно, что данный тип анодов получил широкое распространение в самых разных устройствах — от смартфонов до аккумуляторов электромобилей.
Конверсионные аноды уходят по другому пути — во время работы по ним протекают химические реакции с разрушением исходной структуры и формированием новых соединений. Подобные процессы сопровождаются значительными изменениями объема и часто влекут за собой падение энергоэффективности. Третья группа — сплавные материалы — отличается тем, что химически объединяет щелочные металлы с активной компонентой анода, что позволяет добиться рекордных показателей емкости. Однако существенным минусом этого подхода становится резкое увеличение объема (иногда до 300%), из-за чего электрод разрушается.
Чаще всего к недостаткам конверсионных и сплавных анодов относят гистерезис напряжения при циклировании, который ухудшает энергоэффективность устройства и приводит к потере до четверти энергии за цикл. Несмотря на это, такие материалы остаются невероятно важными для целого ряда специальных применений. Их бесспорный плюс — крайне высокая удельная электрохимическая емкость по сравнению с традиционными интеркаляционными анодами. Именно поэтому они особенно востребованы там, где необходимо обеспечить максимальное накопление энергии при минимальной массе и объеме, например, в портативной специализированной электронике, авиационно-космических аппаратах и медицинских имплантах.
Уникальная технология объединения максена и сульфида германия
Новая разработка, над которой трудились российские и израильские ученые, базируется на сочетании сульфида германия и прогрессивных наноматериалов максеновой (MXene) структуры. Такой подход позволил устранить многие типичные недостатки традиционных материалов, обеспечив одновременную устойчивость структуры и высокую энергоотдачу. Синтетическая методика, предложенная коллективом, позволяет создавать композиции с тонко регулируемыми свойствами, что особенно важно для современных задач накопления и хранения электроэнергии.
Максены известны своей слоистой наноструктурой и высокой электропроводностью, а сульфид германия способен аккумулировать значительное количество ионов натрия, благодаря чему новый анодный материал демонстрирует впечатляющие эксплуатационные характеристики. Помимо этого, полученный материал эффективно работает даже при высоких токах заряда и разряда, что открывает двери для его применения в жестких условиях — от экстренной портативной техники до автономных энергетических систем.
Преимущества и области применения инновационных аккумуляторов
Команда исследователей Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, при поддержке Минобрнауки России, уверенно смотрит в будущее. Разработанная технология совершенствует ключевые параметры натрий-ионных элементов питания, обеспечивая им по-настоящему прорывные свойства. Среди главных достоинств — долговечность, высокая удельная емкость, быстрый отклик, а главное — стабильная работа на протяжении многих сотен и даже тысяч циклов. Подобные параметры особенно важны для современных высокотехнологичных устройств.
Полученные результаты доказывают: объединение максена и сульфида германия не только теоретически перспективная, но и практически реализуемая стратегия для новой генерации аккумуляторов. Такие системы открывают новые горизонты для использования в авиации, космической индустрии, медицине (в частности, в имплантируемых аппаратах), мобильной электронике и системах резервного электропитания.
Оптимизм перспектив: взгляд в будущее
Работа команды под руководством Алексея Михайлова демонстрирует: российско-израильское сотрудничество способно приносить впечатляющие плоды не только в теоретической, но и в прикладной науке. Усилия ученых отвечают ключевым трендам развития современных аккумуляторных технологий и позволяют сделать уверенный шаг на пути к экологически чистым, надежным и эффективным источникам энергии.
В перспективе данная разработка может стать основой для еще более емких, универсальных и доступных батарей разного формата, что важно в контексте глобального перехода на возобновляемые ресурсы и устойчивое развитие. Исследование, реализованное с поддержкой ведущих образовательных и научных центров при содействии Минобрнауки России, вдохновляет на дальнейшие прорывы и интеграцию новых материалов в будущее энергосистем человечества.
Современные исследования в области энергетики уверенно движутся вперед, предлагая всё более эффективные решения для накопления энергии. Особое место среди них занимают работы по совершенствованию анодных материалов для натрий-ионных аккумуляторов — перспективного направления, способного расширить возможности накопления энергии и обеспечить их стабильную работу даже при интенсивных нагрузках.
Инновационный подход в разработке анодов
Один из ключевых методов повышения производительности анодов заключается в тщательном подборе их состава и структуры. Применяя инновации в области нанотехнологий, инженеры разрабатывают покрытия на основе наноразмерных частиц, размещенных на проводящих подложках. Такой структурный подход позволяет не только повысить проводимость, но и значительно увеличить площадь поверхности анода, благодаря чему улучшаются его скоростные характеристики. В результате, новые материалы становятся менее подвержены деградации, а аккумуляторы способны работать значительно дольше даже при интенсивной эксплуатации.
Прорыв российских и израильских ученых
Недавно российские специалисты совместно с коллегами из Израиля создали передовой материал для анода натрий-ионной батареи — уникальный композит на основе сульфида германия и максена. Полученный материал успешно демонстрирует стабильную работу даже при большом количестве циклов заряда и разряда, сохраняя высокую эффективность работы при значительных нагрузках.
Важно, что разработанная композиция обеспечивает не только высокую долговечность, но и выдающиеся скоростные качества. Даже при увеличении плотности тока в 30 раз (с 0.1 до 3 А·г⁻¹) снижение емкости составляет менее 15%. Таким образом, данный анод демонстрирует стойкость и эффективность, превосходя аналоги на основе GeS₂ и восстановленного оксида графена.
Уникальные свойства инновационного композита
Секрет уникальных характеристик нового материала кроется в сочетании передовых решений. Основу анода составляет двумерный карбид титана — максен, который уже зарекомендовал себя своими отличными проводящими свойствами. На его поверхности размещают слой сульфида германия, обладающий повышенной удельной емкостью. Такой тандем способствует не только быстрому переносу заряда, но и эффективному накоплению энергии.
В процессе синтеза был применён метод введения поверхностно-активных веществ, способствующий эффективному распределению частиц и предотвращающий их агрегацию. Это особенно важно для сохранения стабильности работы анода в течение долгого времени и при работе с большими токовыми нагрузками.
Как отметил кандидат химических наук Алексей Михайлов, результат получился впечатляющий — композиты на основе максена и сульфида германия обладают не только высокой скоростью отклика, но и значительной энергоемкостью. Подобный материал открывает новые возможности для создания надежных и производительных натрий-ионных батарей, востребованных в различных сферах — от портативной электроники до крупномасштабных энергосистем.
Значимость и перспективы новых разработок
Полученный анодный материал не только демонстрирует отличные результаты при лабораторных испытаниях, но и имеет большой потенциал к интеграции в промышленное производство аккумуляторов нового поколения. Высокие показатели воспроизводимости и долговечности делают его отличным кандидатом для использования в постоянных и высоконагруженных энергосетях.
Финансовая поддержка Министерства науки и высшего образования России позволила реализовать этот проект в рамках государственного задания Лаборатории пероксидных соединений и материалов на их основе ИОНХ РАН. Дальнейшие исследования планируется направить на масштабирование технологии и внедрение полученных результатов в реальный сектор.
Вклад в будущее накопителей энергии
Внедрение инновационных материалов в натрий-ионные аккумуляторы существенно расширит горизонты применения этой технологии. Подход, использованный российскими и израильскими учёными, позволяет добиваться высокой электропроводности при одновременном увеличении емкости и стабильности даже при интенсивной эксплуатации. Композиты на основе максена и сульфида германия станут новым шагом на пути к созданию надежных и экономически эффективных энергосистем. Это открывает перспективу широкого применения таких аккумуляторов в сфере транспорта, электронной техники и стационарных установках, делая будущее энергетики светлым и динамичным.
Источник информации и фото: Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН
Инновационные аккумуляторы с использованием максена и сульфида германия
Современные требования к энергонакопителям растут с каждым годом, поскольку развитие техники требует всё более мощных и надёжных источников энергии. Недавно учёные представили принципиально новые аккумуляторы, в основу которых легли максен и сульфид германия. Такое сочетание материалов обещает открыть путь к созданию устройств с впечатляющими характеристиками.
Максен — инновационный материал, который отличается уникальной проводимостью и прочностью, что особенно важно для повышения общей эффективности аккумуляторов. В комбинации с сульфидом германия эти материалы обеспечивают значительное увеличение ёмкости и скорости заряда. Благодаря этому аккумуляторы последнего поколения могут работать намного дольше без подзарядки и эффективнее справляться с высокими нагрузками.
Путь к устойчивому будущему
Появление аккумуляторов на основе максена и сульфида германия сулит большие перемены в самых разных областях — от бытовой электроники до электромобилей. Повышенная долговечность и стабильная работа новых элементов позволит сделать энергоснабжение более экологичным, что исключительно важно для сохранения природы. Такие технологии способствуют развитию "зелёной" энергетики, ведь сокращение числа замен аккумуляторов уменьшает количество отходов и оставляет меньший экологический след.
Перспективы у инновационных аккумуляторов действительно радужные. Они могут стать отличной платформой для смелых инженерных решений, позволят создавать мобильные устройства нового поколения, а также послужат драйвером для перехода на электротранспорт. И уже сегодня эти разработки открывают дорогу к более чистому и энергоэффективному будущему, где технологии делают жизнь лучше и удобнее для каждого из нас.
Источник: scientificrussia.ru
