Одна из наиболее актуальных научных задач сегодня – создание новых, более экологичных источников тока. В ЮУрГУ в рамках реализации программы «Приоритет-2030» ведется разработка новых химических источников тока (Zn-ионных аккумуляторных батарей) для электрокаров с тяговым электроприводом.
Работы по созданию батареи ведутся в рамках молодежной лаборатории электромеханических, электронных и электрохимических систем. Официальное открытие лаборатории запланировано на сентябрь 2025 года.
Основная цель создания новой молодежной научно-исследовательской лаборатории – разработка комплекса современных решений в области транспортных средств с тяговым электроприводом, который включает в себя электромеханические, электронные и электрохимические системы. Руководителем нового научно-исследовательского пространства назначен доцент кафедры материаловедения и физико-химии материалов ЮУрГУ, старший научный сотрудник лаборатории роста кристаллов Владимир Живулин.
«Наша главная задача на 2025 год – создание укрупненного прототипа Zn-ионной батареи. Мы планируем создать аккумулятор, похожий на свинцово-кислотный автомобильный аккумулятор. Если нам это удастся, мы достигнем цели этого года», – рассказывает Владимир Евгеньевич.
Уникальность нового аккумулятора – в принципе его работы. Ученые ЮУрГУ под руководством В.Е. Живулина в процессе эксперимента воспроизводят процесс интеркаляции лития, в данном случае в графит. Изначально в подобных случаях использовался литий. Молекулы лития могут заходить в графит и выходить из него. Это и есть процесс интеркаляции.
В чем преимущество цинка перед литием в данном случае? Молекулы цинка имеют ионный радиус, близкий к ионам лития. Они очень похожи, но имеют разный атомный номер. Литий легкий, цинк на порядок тяжелее. В этом их основное отличие. Результаты экспериментов в лаборатории показали, что ионы цинка также могут интеркалироваться, но в данном случае не в графит, а в MnО2 (оксид марганца). Именно процесс интеркаляции и деинтеркаляции, в отличие от предыдущих материалов, сможет обеспечивать качественную, продолжительную работу аккумуляторной батареи.
В обычной щелочной батарейке также используется оксид марганца (MnО2). Но в ней при этом могут использоваться разные аноды. При этом в батарейке происходит иной окислительно-восстановительный процесс. Этот процесс практически необратим, именно поэтому традиционные батарейки имеют ограниченный срок годности. После того, как батарейка отдала свой заряд, с ней уже ничего нельзя сделать.
«Принципиальное отличие разрабатываемого нами аккумулятора в том, что в основе его работы не окисление-восстановление, а интеркаляция. В настоящее время мы находимся в поиске такого материала, в который ионы цинка могут легко интеркалироваться и деинтеркалироваться при этом кристаллическая структура материала должна оставаться стабильной и не разрушаться», – поясняет Владимир Живулин, – «Сегодня вся мировая научная общественность увлечена решением этой проблемы. Издается много научных работ по этому вопросу. Лидеры в этом направлении – ученые из Китая. Если материал, подходящий для интеркаляции, найдется, это будет прорыв!
В 2019 году Джону Гуденафу, Стенли Уиттингэму и Акира Йошино была вручена Нобелевская премия по химии за разработку литий-ионных аккумуляторов. С этого момента началось развитие литий-ионных аккумуляторных батарей. Джон Гуденаф предложил революционное решение: использовать материал LiCoO2. Данный материал позволяет производить интеркаляцию и деинтеркаляцию ионов лития, обеспечивая работу батареи. Создание материала, подобного LiCoO2, будет открытием на уровне Нобелевской премии. Китайцы очень активно занимаются этой разработкой. Эта задача очень непростая. Мы также попытаемся «поиграть в эту игру». Но тут нужно помнить еще об одной вещи. От предложенного Джоном Гуденафом материала до производства фирмой SONY первой литий-ионной батареи прошел 21 год! Нам предлагается пройти этот путь в двадцать раз быстрее, за один год. Наш коллектив будет изо всех сил старятся выполнить поставленную задачу».
Исследование проводится в ЮУрГУ в рамках реализации стратегического технологического проекта № 2 «Фундаментальные основы синтеза и эксплуатации перспективных материалов» программы «Приоритет» (на 2025-2036 гг.) (нацпроект «Молодежь и дети»).