Молекулярная «авоська» поможет увеличить емкость аккумуляторов
Ученые из Корейского института передовых технологий нашли способ защитить перспективные аккумуляторы с кремниевыми анодами от деградации. Для этого они использовали молекулярные «стяжки» из полиротаксановых молекул, которые не дают кремниевым частицам анода распасться на части. Аккумуляторы с кремниевым анодом смогут запасать в несколько раз больше энергии по сравнению с существующими аналогами. Ученые заявляют, что уже работают над возможным внедрением их изобретения с крупным корейским производителем аккумуляторов. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает издание The Verge.
Распространенные литий-ионные аккумуляторы состоят из литиевого катода и графитового анода. Во время зарядки литиевые ионы переходят на анод, во время разрядки в обратном направлении. Но у графитового анода есть перспективная альтернатива — кремний. Он может запасать в несколько раз больше энергии, но у такого материала есть недостаток: во время зарядки он расширяется в несколько раз и трескается. Из-за этого ресурс таких аккумуляторов сильно падает уже после десятков циклов зарядки-разрядки, что очевидно недостаточно для повсеместного применения.
Корейские ученые нашли способ, как удержать микрочастицы кремния в аноде. Для этого они прикрепили к аноду сетку из полиротаксановых молекул. Они состоят из молекулы-нити и «нанизанных» на нее молекул-колец. Некоторые кольца были соединены с нитями. Таким образом на поверхности кремния была создана молекулярная сетка, которая давала ему расширяться, но при этом стягивала его обратно и таким образом не давала распадаться.
Благодаря этому у прототипа батареи с таким анодом эффективность практически не снижается после более чем ста циклов зарядки-разрядки. Несмотря на довольно сложную конструкцию анода, ученые надеются, что им удастся доработать его технологию производства для широкого внедрения. Они утверждают, что уже находятся в партнерстве с неназванным «крупным корейским производителем аккумуляторов».
Ученые постоянно работают над совершенствованием аккумуляторов, в частности их анодов. В 2016 году американские ученые также заменили графитовый анод, но не на кремний, а на модифицированные наночастицами волокна грибов. Другая группа ученых в том же году предложила использовать в качестве материала анода пыльцу, а индийские ученые предложили делать аноды из копоти от свечей.
Григорий Копиев
Материаловеды выяснили, как соли муравьиной кислоты улучшают эффективность и стабильность солнечных элементов. Оказалось, ионы формиата заполняют вакансии иода на границе перовскитных кристаллов, а также замедляют скорость кристаллизации перовскита, поэтому вместо множества мелких кристаллитов формируются один крупный. Полученные солнечные элементы продемонстрировали эффективность в 25, 6 процента. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. Эффективность солнечных элементов на основе смешанных свинцово-галогенидных перовскитов всего за десять лет увеличилась с 3,8 до 25,5 процента. Такие солнечные элементы дешевы и просты в получении, а еще их можно делать полупрозрачными и использовать в качестве верхней части тандемного солнечного элемента. Чаще всего в солнечных элементах используют перовскиты состава MAx(FA)1-хPbI3, где MA и FA — органические однозарядные катионы метиламмония и формамидиния. Для повышения стабильности и эффективности часть метиламмония заменяют на цезий, а часть иода — на хлор и бром. С недавних пор ученые стали добавлять в перовскитную решетку еще и анионы формиатов (солей муравьиной кислоты), которые стабилизируют перовскиты даже лучше, чем анионы хлора и брома — например, в феврале мы писали о работе китайских химиков, которые смогли с помощью муравьиной кислоты вырастить рекордно большие монокристаллы для фотодетектора. Но четкого понимания механизма происходящих процессов у ученых до сих пор не было. В одних работах писали, что формиат помогает контролировать рост перовскитных кристаллов, в других — что главная причина в предотвращении фазовой сегрегации (разделении разных подтипов катионов и анионов в пространстве, в результате чего перовскитная пленка становится неоднородной). Разобраться в вопросе смогли китайские, шведские, корейские и швейцарские ученые под руководством Майкла Гретцеля (Michael Grätzel) из Федеральной Политехнической Школы Лозанны и Джин Йонга Кима (Jin Young Kim) из Ульсанского Национального Института Науки и Технологии. Они работали с перовскитом состава FAPbI3, в который добавляли от одного до пяти мольных процентов формиата формамидиния FAHCOO. На снимках сканирующей электронной микроскопии видно, что добавки формиата помогают получить перовскитные кристаллиты большего размера — до двух микрометров. Метод рентгеновской дифракции подтвердил, что пленки с формиатом имеют лучшую кристалличность — то есть процент аморфного перовскита в них ниже. Кроме того в пленках с формиатом полностью отсутствовала фаза δ-FAPbI3, в которую основная фаза, α- FAPbI3, постепенно превращается под действием следов влаги. Перовскит δ-FAPbI3 не фотоактивен, поэтому чем ниже его содержание в пленке, тем лучше для будущего солнечного элемента. Самые качественные пленки получились с добавками двух мольных процентов формиата. При более высоких концентрациях формиата кристаллиты перовскита становились разупорядоченными.