Группа российских исследователей из Сколковского института науки и технологий (Сколтех) опубликовала всесторонний анализ применения полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в технологиях накопления энергии. Авторы работы — Илья Чепкасов, Станислав Евлашин и Александр Квашнин — систематизировали достижения последнего десятилетия в использовании этого класса органических соединений для создания анодов и катодов металл-ионных батарей.
Полиароматические углеводороды (ПАУ) интересны из-за их особых свойств. Эти свойства позволяют им легко передавать электроны и впускать ионы внутрь своей структуры. Поведение ПАУ в химических реакциях зависит от их энергетических уровней. Если уровень энергии нижней незанятой орбитали (LUMO) низкий, ПАУ легко восстанавливаются, что полезно для анодных применений. Если же уровень энергии верхней занятой орбитали (HOMO) низкий, ПАУ легко окисляются, что полезно для катодов.
Мы показали, что обычные ароматические соединения, такие как нафталин или антрацен, способны работать не хуже, а в некоторых случаях и лучше дорогих синтетических материалов.
В исследовании рассказывается о том, как используются специальные вещества (ПАУ) в разных типах батарей: литий-ионных, натрий-ионных, алюминий-ионных и двусторонних. Особое внимание уделяется методу предварительной металлизации. Он помогает уменьшить потери энергии и улучшить работу батарей с самого начала.
Эта технология решает фундаментальную проблему первых циклов работы батареи, когда значительная часть ионов металла тратится на формирование защитной плёнки на аноде.
Авторы впервые в рамках единого обзора рассматривают интеграцию машинного обучения для ускоренного проектирования ПАУ-материалов. Высокопроизводительный скрининг позволяет предсказывать электрохимические свойства соединений до их синтеза.
Машинное обучение сейчас повсеместно используют при создании аккумуляторов. За последние пару лет из экспериментального метода оно превратилось в обычный рабочий инструмент. Только за год вышло огромное количество значимых статей на эту тему: про ИИ-поиск молекул, новые катоды, подбор электролитов и их поведение, ускоренный анализ материалов для твердотельных и литий-серных аккумуляторов. И это не просто исследования — уже появляются удобные модели и даже целые программы на основе ИИ.
Рыночный контекст усиливает актуальность разработки. Глобальный спрос на литий-ионные аккумуляторы прогнозируется на уровне 4,7 ТВт·ч к 2030 году против 700 ГВт·ч в 2022-м. Рост цен на металлический литий стимулирует поиск альтернатив с более доступными металлами-носителями заряда.
ПАУ-материалы конкурируют с традиционными неорганическими электродами. Графитовые аноды обеспечивают удельную ёмкость около 372 мА·ч/г, тогда как некоторые ПАУ демонстрируют показатели свыше 500 мА·ч/г. Оксиды переходных металлов для катодов токсичны и дороги в производстве, а органические соединения разлагаются биологически. Кремниевые аноды страдают от объёмного расширения при циклировании — проблема, менее выраженная у молекулярных структур. Натрий-ионные технологии на основе ПАУ решают проблему дефицита лития. Технология химической регенерации с пирен-литиевыми комплексами позволяет восстанавливать отработанные батареи до 100% первоначальной ёмкости. Сохраняются вызовы: растворимость соединений в электролитах и недостаточная редокс-активность части молекул требуют дальнейших исследований функционализации и структурной оптимизации.
Читайте ещё материалы по теме:
Не пропускайте наши новостиДобавьте сайт в предпочитаемые источники, чтобы видеть нас чащеДобавить в Google
