Низкая плотность энергии в литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторах стала основным барьером на пути технического прогресса вообще и развития мобильных устройств в частности: даже при использовании агрессивных алгоритмов энергосбережения больше двух дней ни один смартфон не функционирует, а ставить батареи большей емкости не позволяет формфактор. Однако заменить дорогой литий более дешевым металлом возможно.
В ходе исследований было установлено, что если атомы внутри образца «уложить» определенным способом, то другие щелочные металлы также будут демонстрировать высокую энергоемкость. Наиболее перспективная замена литию — натрий, так как даже при двуслойной компоновке атомов натрия в структуре биграфена (два слоя графена — сверху и снизу) емкость такого анода становится сопоставимой с емкостью обычного графитового анода в литий-ионных аккумуляторах: около 335 мА*ч/гр (миллиампер-час на грамм материала) против 372 мА*ч/гр у лития. Натрий распространенный в природе материал, в частности, его можно извлекать из поваренной соли.
«Долгое время считалось, что атомы лития в аккумуляторах могут располагаться только в один слой, в противном случае система будет нестабильна. Несмотря на это недавние эксперименты наших коллег из Германии показали, что при тщательном подборе методов можно создавать многослойные стабильные структуры лития между слоями графена. Это открывает широкие перспективы к увеличению емкости таких структур. Поэтому нам было интересно изучить возможность формирования многослойных структур с другими щелочными металлами, в том числе и с натрием, при помощи численного моделирования», — рассказывает один из авторов исследования, научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Илья Чепкасов.
«Из нашего моделирования следует, что атомы лития гораздо сильнее связываются с графеном, однако увеличение числа слоев лития приводит к меньшей стабильности. Обратная тенденция наблюдается в случае натрия — при увеличении числа слоев натрия возрастает стабильность таких структур, это дает надежду на то, что такие материалы будут получены в эксперименте», — заключил старший научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» и ИБХФ РАН Захар Попов.
Осталось создать экспериментальный образец, протестировать его в лабораторных условиях и далее довести технологию до серийного производства. Как правило, такой процесс растягивается на 5–10 лет.
