Ученые БФУ нашли способ улучшить свойства материала для емких аккумуляторов

Ученые Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта вместе с коллегами из Петербургского института ядерной физики имени Б. П. Константинова НИЦ «Курчатовский институт» выяснили, как измельчение и нагрев аморфного углерода меняют его структуру. Исследование показало, что после измельчения и отжига при 800 °C в материале начинают формироваться упорядоченные области, напоминающие графит. Полученные результаты могут быть использованы при разработке более эффективных и долговечных накопителей энергии.

Аморфный углерод рассматривается как перспективная альтернатива графиту для отрицательных электродов литий-ионных аккумуляторов. В отличие от графита, его структура более неупорядочена и содержит дефекты и пустоты, которые способны увеличить емкость батареи. При этом чрезмерная неупорядоченность может снижать стабильность материала: он быстрее разрушается при эксплуатации и хуже возвращает накопленный заряд. Поэтому ученые ищут способы изменить структуру углерода так, чтобы совместить высокую емкость с долговечностью.

В ходе экспериментов исследователи сравнили три образца. Первый представлял собой аморфный углерод сразу после синтеза, второй — тот же материал после тщательного измельчения, а третий — измельченный углерод, дополнительно подвергнутый отжигу при 800 °C. Для изучения изменений ученые использовали метод ядерного магнитного резонанса и сопоставили спектры всех образцов.

Исходный материал практически не имел пор и состоял из хаотично расположенных фрагментов графита. После измельчения форма этих структур сохранилась, однако сам материал стал более рыхлым и пористым. Из-за увеличения пористости он активнее взаимодействовал с окружающей средой и частично окислился — в его структуре появились группы, содержащие кислород и водород. По протонным сигналам ученые также смогли оценить размеры образовавшихся пор.

Наиболее заметные изменения произошли после дополнительного нагрева измельченного углерода. При температуре 800 °C в нем начали формироваться упорядоченные области, близкие по структуре к графиту. По мнению исследователей, такое частичное упорядочивание в перспективе может позволить получить материал, сочетающий высокую емкость неупорядоченного углерода с долговечностью и эффективной отдачей заряда, характерными для графитовых структур. Результаты работы опубликованы в журнале Applied Magnetic Resonance.