Изображение создано при помощи нейросети
Представьте мир, где смартфон заряжается за минуты, электромобиль проезжает тысячу километров без подзарядки, а энергия солнца и ветра не теряется, а аккуратно «складывается» про запас. Такой мир начинается не с заводов и не с гаджетов — он начинается в лабораториях, где создают материалы для аккумуляторов будущего.
Химия перестает быть абстрактной наукой и превращается в инструмент проектирования: ученые буквально конструируют материалы с нужными свойствами. О том, как это происходит, рассказывает Светлана Новикова, преподаватель практикума по неорганической химии Факультета химии НИУ ВШЭ, доцент и старший научный сотрудник лаборатории ионики функциональных материалов Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН.
Содержание:
В основе многих разработок лаборатории лежат материалы со структурой NASICON. За сложным названием скрывается красивая идея: это своего рода «кристаллический каркас» с сетью каналов для перемещения ионов.
По этим каналам, как по скоростным магистралям, движутся катионы натрия или лития. Чем быстрее они перемещаются, тем лучше работает аккумулятор.
«Это каркасная структура, внутри которой существует система каналов. По этим каналам могут быстро передвигаться катионы щелочных металлов», — объясняет Светлана Новикова.
Такая архитектура делает материалы одновременно быстрыми и устойчивыми — редкое и очень ценное сочетание для энергетики.
Главное преимущество NASICON — гибкость. Это не один материал, а целый класс соединений, свойства которых можно «настраивать».
Добавляя в структуру разные элементы — например, марганец, железо, хром или ванадий — ученые буквально программируют поведение вещества. Оно может начать участвовать в электрохимических реакциях и работать как электрод аккумулятора.
«Мы уже не просто открываем новые соединения — мы проектируем материалы с заданными характеристиками. Это важный сдвиг: от случайных находок — к осознанному дизайну», — говорит исследователь.
Один из интересных проектов лаборатории — катодный материал на основе Na₄MnCr(PO₄)₃. На первый взгляд может показаться, что это очередной фосфат. Но внутри него скрыта идея, которая может изменить характеристики аккумуляторов. Здесь в работе участвуют сразу два металла — марганец и хром.
«Совмещение их электрохимической активности позволяет увеличить емкость аккумулятора. Кроме того, рабочее напряжение аккумулятора с таким катодом будет достаточно высоким, что повышает его удельную энергию. Проще говоря, такой материал способен хранить больше энергии. А значит — дольше работать без подзарядки. Но есть нюанс: необходима разработка новых электролитов», — отмечает Светлана Новикова.
Традиционные жидкие электролиты — слабое место многих аккумуляторов. Они ограничивают рабочее напряжение и могут быть небезопасны. Поэтому сегодня все больше внимания уделяется твердым электролитам и композиционным материалам.
«Твердые электролиты способны подавлять образование дендритов, тем самым повышая безопасность устройств. Отдельное направление наших исследований связано с созданием композиционных материалов на основе фосфатов со структурой NASICON. Комбинируя фосфаты с углеродными или полимерными материалами, мы значительно улучшили характеристики материалов, например, повысили электронную проводимость (что критически важно для катодов), улучшили механическую прочность, совместимость с другими компонентами аккумулятора. Фактически это открывает путь к более мощным и надежным и долговечным аккумуляторам.
Синтезировать химическое соединение — только половина задачи. Не менее важно, каким материал получится «в деталях». Размер частиц, границы между ними, пористость — все это влияет на то, как быстро движутся ионы и электроны. Чем меньше частицы, тем быстрее зарядка электродного материала. Чем лучше контакт между частицами, тем выше проводимость электролита.
«Управляя этими параметрами, мы можем заметно улучшить свойства материала», — отмечает Светлана Новикова.
Даже идеальный материал — это еще не аккумулятор. Настоящий вызов начинается, когда нужно собрать все компоненты в одну работающую систему. Разные материалы должны совместно работать, не разрушаясь и не теряя эффективности.
«Так что мы сейчас много работаем именно над совместимостью и над тем, чтобы все компоненты «подружились» друг с другом», — признается Светлана Новикова.
Еще одно направление, которое снова привлекает внимание ученых, — аккумуляторы с металлическими анодами. Они могут хранить значительно больше энергии. Но раньше их использование было опасным: на поверхности металла образовывались дендриты — игольчатые структуры, способные вызвать короткое замыкание.
«Решение снова приходит из материаловедения. Твердые электролиты позволяют повысить стабильность и сделать такие системы безопасными. То, что раньше считалось слишком рискованным, теперь получает второй шанс», — отмечает Новикова.
В этой работе активно участвуют студенты — прежде всего из НИУ ВШЭ. И попасть в лабораторию проще, чем может показаться. Ключевой критерий — не идеальные знания, а ответственность и интерес к работе.
«Самое главное — это мотивация, энтузиазм и готовность преодолевать трудности», — подчеркивает Светлана Новикова.
Сначала студенты синтезируют образцы, осваивают методы исследования, учатся обрабатывать данные. К выпуску студенты уже сами планируют эксперименты, участвуют в интерпретации результатов, готовят публикации. По сути, это уже молодые исследователи, а не просто исполнители, и они знают про свой материал больше, чем кто-либо другой в лаборатории.
Программа «Химия новых материалов» в НИУ ВШЭ построена так, чтобы теория и практика шли вместе. Студенты не просто изучают теорию — они сразу видят, как эти знания работают в реальной науке. И в итоге самым важным качеством становится не объем знаний, а способность учиться.
Конечно же, интерес к химии зарождается в будущих исследователях еще со школьной скамьи. По мнению Светланы Новиковой, в современной школьной химии электролиты изучают в основном на примере растворов солей, кислот, щелочей. Но реальный технологический мир уже давно шагнул дальше — к твердым электролитам и сложным функциональным материалам.
Расширение этих тем могло бы сделать обучение более живым и показать, как химия связана с технологиями будущего.
В подписке — дайджест статей и видеолекций, анонсы мероприятий, данные исследований. Обещаем, что будем бережно относиться к вашему времени и присылать материалы раз в месяц.
Спасибо за подписку!
Что-то пошло не так!
