intelligent-lab

04.10.2023 08:40

Батарейки с наномагнием для гаджетов будущего

Учёные НИО-2 "Физика прочности и интеллектуальные диагностические системы" Тольяттинского государственного университета (ТГУ) обнаружили в наночастицах магния потенциал для увеличения ёмкости аккумуляторов. Свои эксперименты материаловеды ТГУ отразили в статье, которая опубликована в высокорейтинговом научном журнале Materials Science&Engineering B*



Магний как материал для производства аккумуляторов известен давно, ещё с 60-х годов, когда компания General Electric запатентовала топливный элемент, в котором может быть использован магниевый электрод. Попытки создать магниевую батарейку предпринимались и позже – учёные активно ищут новые технологии хранения электрического заряда, но пока к созданию коммерчески доступных аккумуляторов это никого не привело.

Эксперименты с магнием и сплавами на его основе ведут и сотрудники молодёжной лаборатории дизайна магниевых сплавов Тольяттинского госуниверситета.

Это сугубо экспериментальная работа. Я занимаюсь синтезом материалов, в том числе наноразмерных, – говорит младший научный сотрудник лаборатории Илья Соснин. – Но мало синтезировать частицы разных размеров и форм. Нужно ещё найти им применение, потому что не так много отраслей, где это целесообразно. Разработав метод синтеза магниевых наночастиц и изучив несколько направлений их возможного использования, мы решили попробовать аккумуляторы.

Практически все телефоны и гаджеты сегодня работают на литий-ионных батареях. Запасов лития на планете не так уж и мало, но большой спрос на этот металл активно подстёгивает рост производства электромобилей. При этом литий-ионные батареи очень чувствительны к изменению температуры, с чем были связаны известные проблемы воспламенения смартфонов и других устройств. Кроме этого, литий токсичен и требует особенных условий утилизации. Поэтому поиск альтернативы более чем актуален.

Магний здесь подходит по разным показателям: он доступен, его много. Даже немного странно, почему до сих пор он не применяется в аккумуляторах широко, – удивляется Илья Соснин. – Главное преимущество литий-ионных аккумуляторов – это скорость заряда. Мы можем быстро зарядить телефон, чтобы он работал весь день. С магниевым аккумулятором сделать такого пока не получается. Но у него другое преимущество – высокая объёмная ёмкость.

То есть, аккумулятор на магнии может работать в два раза дольше, чем такого же размера литиевый. Или при одинаковой ёмкости магниевый аккумулятор будет в два раза меньше литиевого.

Это было известно давно. Эффект обнаружили, попробовали несколько раз и, не получив серьёзных результатов, забросили, такое ощущение, что это какая-то тупиковая ветвь исследований. А мы решили попробовать ещё раз, – говорит Илья Соснин. – Подготовили наночастицы, сделали на их основе своеобразный аккумулятор – электрохимическую ячейку, которая может выдавать ток, и этот ток измерили. А потом сравнили эффект от использования в аккумуляторе наночастиц и микрочастиц.

Оказалось, что размер имеет значение: наночастицы выдали примерно в 7 раз больше полезной энергии.

Условно говоря, если вы берёте 100 граммов магния, делаете из него аккумулятор и с помощью выделенной им энергии нагреваете чайник, то поместив в аккумулятор 100 граммов наноструктурированного магния, вы сможете нагреть уже 7 чайников, – поясняет Илья Соснин. – Однако сейчас мы не смогли расположить в аноде такое количество наночастиц магния.

То есть, применить этот эффект на практике пока возможности нет, отмечает учёный. Тем не менее, результаты исследований говорят о том, что в отдалённой перспективе магниевые аккумуляторы могут стать если не заменой литий-ионным, то по крайней мере достойной альтернативой им. Тем более, что свои эксперименты материаловеды ТГУ продолжают.

Мы попробовали применить в качестве электрода магниевый сплав и обнаружили что он работает плохо. И это на самом деле хорошо. Это значит, что структура материала очень сильно влияет на анодные свойства. Сейчас у нас есть два пути: либо мы чего-то добьёмся от наночастиц и всё-таки сделаем аккумулятор, либо подберём для него подходящий магниевый сплав, – делится планами Илья Соснин. – Кроме того, в отношении нашей страны уже который год действуют санкции, торговые ограничения, поэтому целесообразно искать альтернативные материалы, из которых можно создавать не только аккумуляторы, но и вообще электронику.

Результаты исследования группа учёных из ТГУ опубликовала в научном журнале Materials Science&Engineering B под названием "Magnesium nanoparticles as a highly stable anode for the electrochemical cell". Журнал посвящён «расчёту, синтезу, обработке, характеристике и пониманию передовых квантовых материалов». Он ежемесячно публикуется Elsevier – голландским академическим издательством, специализирующемся на научных, технических и медицинских материалах.


Растегаев Игорь Анатольевич

Растегаев Игорь Анатольевич

Cтарший научный сотрудник
Доцент кафедры «Материаловедение и механика материалов». К. ф.-м. н.
Интересы: Акустические методы неразрушающего контроля, сигналы акустической эмиссии регистрируемые при действии источников шумоподобных процессов (трение, кавитация, аэро- и гидродинамические явления).

You are here: