382
Ученые из Института общей и неорганической xимии им. Н.С. Курнакова РАН и Еврейского университета в Иерусалиме получили эффективный электродный материал на основе сульфида германия для литий-ионного аккумулятора, способный стабильно работать на протяжении большого количества циклов при высоких скоростях заряда/разряда. Разработка перспективна для создания энергоемких высокоэффективных аккумуляторов. Результаты работы поддержаны грантом Российского научного фонда (проект РНФ 23-23-00583) и опубликованы в журнале Journal of Colloid & Interface Science.
Литий-ионные аккумуляторы занимают лидирующее положение как источники тока в портативной электронике, электротранспорте, системах возобновляемой энергии и интеллектуальных электросетях. Однако, одним из недостатков литий-ионных аккумуляторов является ограниченный срок службы. Для ряда нишевых применений существует потребность создания аккумуляторов с высокими величинами удельной мощности. В связи с этим, поиск анодных материалов с высокой электрохимической емкостью и стабильностью остается очень актуальной задачей.
Известно, что сульфид германия имеет высокое значение теоретической емкости, а продукты взаимодействия германия с литием обладают относительно высокой электропроводностью, что вызывает интерес исследователей к созданию энергоемких аккумуляторов на основе соединений германия. Однако, материал на основе сульфида германия обладает и рядом недостатков. Во-первых, значительные обратимые изменения объема при взаимодействии сульфида германия с литием в ходе работы аккумулятора приводят к растрескиванию и разрушению электрода. Во-вторых, образование полисульфидов и их выделение из материала анода приводит к потере электрохимической емкости, разрушению электрода, переносу полисульфидов в область положительного электрода и его пассивацию (так называемый «челночный перенос» или «шаттл-эффект»). В-третьих, сера и сульфид лития, образующиеся при работе аккумулятора, не проводят электрический ток, и их осаждение на электроде снижает проводимость и препятствует процессу полного повторного взаимодействия с литием. Перечисленные проблемы актуальны и при создании литий-серных аккумуляторов. Одним из способов их решения является получение композиционных наноматериалов на основе соединений германия на поверхности проводящей углеродной подложки, например, восстановленного оксида графена.
Xимики из России и Израиля впервые применили относительно простой подход к получению композиционных материалов на основе сульфида германия с использованием в качестве исходного соединения хорошо растворимой формы оксида германия. Растворимость оксида германия достигает 100 грамм на 1 литр воды, что делает его удобным исходным соединением для получения других соединений германия и ранее позволило авторам разработать «зеленый» метод получения композитных электродных материалов для литий-ионных аккумуляторов на основе оксида, нитрида и фосфида германия. В данной работе оксид германия растворяли в водной дисперсии оксида графена, содержащей сульфид аммония и неионогенное поверхностно-активное вещество. Использование поверхностно-активного вещества позволило значительно уменьшить размер частиц. Последующая термообработка материала в вакууме привела к восстановлению оксида графена, обеспечив хорошую электропроводность, большую площадь поверхности и механическую прочность, что важно для работы электрода. Кроме того, углеродная подложка предотвратила агрегацию активного материала с образованием зерен большого размера, в итоге, уменьшая диффузионный барьер.
«Подбор подходящих электролитов, стекловолоконной мембраны и связующего вещества при приготовлении электрода позволил уменьшить челночный перенос полисульфидов и оптимизировать рабочие характеристики анодного материала в литий-ионном аккумуляторе. При этом получены значения удельной емкости в более 1200 мАч/г при токе 2 А/г, что превышает опубликованные на данный момент величины для электродов на основе сульфида германия в 1.5-2 раза. Полученный электрод обладает превосходной стабильностью при высоких токах заряда/разряда в 2 и 5 А/г на протяжении более 1000 циклов. Кроме того, были протестированы полные электрохимические ячейки с полученным в данной работе анодным материалом на основе сульфида германия и c кобальтатом лития в качестве материала противоэлектрода, которые продемонстрировали высокие величины удельной электрохимической емкости, мощности и плотности энергии», — прокомментировал исследование старший научный сотрудник Лаборатории пероксидных соединений и материалов на их основе ИОНХ РАН кандидат химических наук Александр Медведев.
Рисунок. Процесс получения композиционного электродного материала сульфид германия/восстановленный оксид
графена (GeS2@rGO) и зависимости удельной электрохимической емкости от номера цикла при токе заряда/разряда 2 и 5 А/г
Источник: Grishanov D.A., Nikolaev V.A., Gun J., Mikhaylov A.A., Medvedev A.G., Prikhodchenko P.V., Lev O. Enhanced charge capacity and stability of Germanium(IV) Sulfide-Based anodes through Triton X100-Assisted synthesis and polysulfide shuttle mitigation. Journal of Colloid and Interface Science, 2024, 660, 780-791. DOI: 10.1016/j.jcis.2024.01.096