Сотрудники саратовского вуза предложили начинку для аккумуляторов, которая не боится ни жары, ни холода и заряжает гаджеты в несколько раз быстрее.

Ученые из Саратовского государственного университета имени Чернышевского придумали, как сделать аккумуляторы для телефонов, ноутбуков и электромобилей гораздо лучше. Они создали компьютерную модель нового материала для катода — это такая деталь в батарее, через которую идет ток. Их разработка напоминает бутерброд: слои привычного оксида кобальта с литием перемежаются с тончайшим листом графена, толщиной всего в один атом.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в издании Journal of Energy Storage.

Чтобы понять, зачем это нужно, вспомним, как работает любая литий-ионная батарейка. Это похоже на бег туда-сюда. Когда мы ставим телефон на зарядку, маленькие частицы — ионы лития — бегут от катода к аноду (отрицательному электроду). Когда мы пользуемся устройством, они бегут обратно. Тут действует простое правило: чем быстрее эти ионы могут прицепиться к материалу катода или отцепиться от него, тем быстрее зарядится или разрядится батарея. А чем больше ионов вообще может вместить катод, тем дольше будет работать устройство без розетки.

Обычно катод делают из оксида кобальта с литием. С одной стороны, у этого материала хорошая вместимость. Но с другой — он капризный. Он быстро портится и теряет свои полезные свойства, если ему слишком жарко, слишком холодно или если его часто заряжать и разряжать. Поэтому инженеры по всему миру ищут способ сделать этот элемент надежнее.

Саратовские исследователи предложили добавить к оксиду графен. Графен — это отличный проводник для тока и очень прочный материал, он как броня защищает хрупкую внутренность от разрушения. Ученые перебрали в своих расчетах разные рецепты этого «бутерброда»: где графена было поровну с оксидом, где оксида было в два раза больше, и так далее, вплоть до варианта, где оксида в восемь раз больше, чем графена.

И тут ученых ждал успех. Самый лучший вариант — с восьмикратным перевесом оксида — показал удивительные результаты. Ионы лития двигались в нем в 1,6 раза быстрее, чем в обычном материале без графена. Это значит, что время зарядки сократится очень заметно. Но это еще не все: количество энергии, которое мог накопить такой катод, выросло больше чем в пять раз. И, что самое приятное, эти свойства никуда не исчезали даже при сильном холоде (до минус сорока градусов) и при изрядной жаре (до плюс восьмидесяти).

Авторы работы считают, что это не предел. Возможно, если взять еще больше оксида (например, в девять или десять раз больше графена), емкость станет еще выше. Однако тут есть риск: материал может стать слишком хрупким, а ионы начнут двигаться медленнее. Это еще предстоит проверить в следующих экспериментах.

Руководитель проекта Владислав Шунаев, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры радиотехники и электродинамики Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского, объясняет:

Наше исследование приближает появление смартфонов и ноутбуков, которые заряжаются за минуты и работают дни без подзарядки, а также электромобилей с запасом хода, сравнимым с бензиновыми авто, и безопасных даже в экстремальных климатических условиях. В дальнейшем мы планируем проанализировать квантовую емкость сэндвича на основе графена и оксида кобальта с литием в процессе отсоединения от него ионов лития, то есть с учетом изменения состава. Такой анализ может утвердить возможность использования предложенный материал в качестве основы для катодов в суперконденсаторах, способных быстро отдавать заряд, и ионно-литиевых батареях, способных накапливать много заряда.