Прорыв в аккумуляторах: графен раскрывает причины сбоев

Для достижения Целей устойчивого развития ООН необходимы прорывные решения в области чистых и эффективных энергетических технологий. Ключевым фактором является разработка накопителей энергии нового поколения, способных приблизить мир к углеродной нейтральности. Особое внимание привлекают аккумуляторы с высокой плотностью энергии, которые обещают стать основой для будущих электромобилей, систем хранения возобновляемой энергии и других экологичных приложений.

Литий-кислородные (Li-O2) аккумуляторы выделяются своей исключительно высокой теоретической плотностью энергии, значительно превосходящей показатели традиционных литий-ионных батарей. Однако их практическое применение ограничено низким сроком службы и быстрой деградацией. Понимание причин этой нестабильности — важнейший шаг на пути к созданию устойчивого и инновационного энергетического будущего.

В недавнем исследовании команда ученых из Университета Тохоку под руководством доктора Вэй Ю (FRIS), профессора Хиромото Нисихары (AIMR/IMRAM) и ведущего автора Чжаоханя Шэня (JSPS Fellow (DC1)), совместно с исследователями из Университета Гунмы, Исследовательского центра синхротронного излучения Кюсю, Манчестерского Метрополитенского университета (Великобритания) и Кембриджского университета (Великобритания), решила эту давнюю проблему путем синтеза высокочистого (более 99%) 13C-меченого графенового мезогубчатого материала (13C-GMS).

«Графеновая мезогубка — это материал с полой структурой и губчатыми свойствами, например, высокой гибкостью, — поясняет Нисихара. — Он обладает уникальной структурой, делающей его полезным для множества различных применений. В данном случае мы адаптировали его, чтобы лучше понять причины отказа аккумуляторов».

Этот новый материал с большой площадью поверхности и малым количеством краевых участков служит стабильной основой для загрузки полиморфных катализаторов на основе рутения (Ru). Интегрируя количественные методы характеризации и теоретическое моделирование, команда смогла четко определить, исходит ли отказ аккумулятора от деградации углеродного катода или от разложения электролита.

Результаты показывают, что, хотя снижение зарядного потенциала помогает подавить деградацию углеродного катода, различные кристаллические фазы рутения вызывают разную степень разложения электролита.

«Наши выводы позволяют указать на 'самое слабое звено' в аккумуляторах — будь то катод или электролит, что дает нам точное понимание того, что именно нужно улучшить, чтобы сделать Li-O2 аккумуляторы более практичным вариантом», — объясняет Ю.

Этот прорыв не только разрешает ключевую дискуссию о роли твердотельных катализаторов в Li-O2 аккумуляторах, но и вносит вклад в глобальные усилия по поиску устойчивых решений для хранения энергии. Раскрывая скрытые механизмы, лежащие в основе отказов аккумуляторов, исследование предоставляет новые принципы проектирования аккумуляторов следующего поколения, которые будут способствовать достижению ЦУР и ускорению инноваций в области чистых энергетических систем.