Светлана Борисова о лаборатории по электрохимическому хранению энергии Сколтеха

Говоря научным языком, электрохимия – это раздел химии, который изучает системы, содержащие ионы (заряженные частицы), а также процессы и явления с их участием на границах раздела фаз (например, электрода и электролита). Другими словами, электрохимия исследует процессы, в которых окислитель и восстановитель пространственно разделены, а передача электронов осуществляется при помощи металлических проводников.

Что же мы должны себе представить, когда как обыватели услышим подобное научное определение? Об этом расскажет Светлана Борисова – координатор Центра по электрохимическому хранению энергии Сколтеха.

Далее – выдержки из интервью.

На заглавную

Светлана Борисова

 

Если говорить о практическом применении электрохимии, то первое, что мы должны себе представить – это, конечно, создание и использование источников тока: аккумуляторных батарей, а также топливных элементов и электролитических ячеек.

Лаборатория занимается, с одной стороны, фундаментальными исследованиями в области электрохимии, а с другой – созданием более современных, более дешевых устройств для запасания энергии с большей плотностью энергии. То есть с большим количеством энергии на единицу объёма или единицу веса аккумулятора. Основная задача лаборатории – разработка и тестирование прототипов аккумуляторов с улучшенными свойствами.

Аналитическая часть лаборатории, которая уже открыта и активно функционирует, отвечает за изучение и анализ свойств различных веществ. О ней мы сегодня и поговорим.

Какие приборы представлены в лаборатории?

Спектрофотометр

Cпектрофотометр для видимой и ультрафиолетовой областей спектра

Самый первый прибор, который появился в лаборатории, называется спектрофотометр для видимой и ультрафиолетовой областей спектра. Он помогает нам проводить спектральный анализ прозрачных сред. Функционирование прибора основано на простом физическом принципе, согласно которому разные вещества по-разному отражают и пропускают свет. Например, просвечивая раствор светом с определенной длиной волны, мы можем определить из каких веществ он состоит, а также определить концентрацию этих веществ.

Модули к спекторофотометру

Модули к спекторофотометру

К этому прибору в нашей лаборатории имеется несколько модулей. Они позволяют проводить измерения в различных режимах, в зависимости от конкретной задачи. Например, мы можем исследовать жидкости в специальных кюветах на пропускание и рассеяние света, исследовать тонкие пленки, регулировать температуру образцов. То есть выяснять, как свойства тех или иных веществ изменяются при разной температуре. Компьютер, который подключен к прибору, записывает детектируемые спектры. А далее мы можем сравнить их со спектрами известных веществ и сделать вывод о том, что за вещество перед нами и каков его химический состав. Такой анализ никак не воздействует на вещество и поэтому относится к методам неразрушающего анализа, как и наш следующий прибор – микроскоп комбинационного рассеяния (КР) DXRxi Imaging Raman от компании Thermo Fisher Scientific.

Данный прибор – первый в России из этой серии. Он позволяет проводить быстрый неразрушающий анализ материалов, который к тому же не требует специальной пробоподготовки. В частности, с помощью этого микроскопа можно проводить исследования образцов в прозрачной оболочке, а также в растворах. Благодаря новому программному обеспечению микроскоп дает возможность подбирать параметры визуализации полученных данных в реальном времени. Принцип действия прибора следующий: мы освещаем наши образцы лазерным лучом, а детектор фиксирует спектр неупруго рассеянного на молекулах этого образца света.

Микроскоп крупно

Микроскоп комбинационного рассеяния (КР) DXRxi Imaging Raman

По полученным спектрам можно сделать вывод о составе и свойствах исследуемого вещества. Также в программе есть возможность сравнить полученные спектры с референсными значениями для большого количества веществ, собранных в электронных библиотеках спектров комбинационного рассеяния. Кроме того, прибор позволяет очень быстро создавать целые карты для образцов, состоящих из нескольких веществ. Микроскоп дает возможность проводить измерения как при комнатной температуре, так и при низких температурах. Для этого мы используем специальную приставку для охлаждения образца с помощью жидкого азота.

Потенциостат-гальваностат

Потенциостат-гальваностат

В нашей лаборатории уже установлено электрохимическое оборудование: потенциостат-гальваностат со специализированным стендом для электрохимических ячеек. Этот прибор позволяет изучать характеристики электрохимических ячеек и аккумуляторов. Когда мы говорим о разработке новых материалов для аккумуляторов, мы имеем в виду улучшение их свойств и характеристик по сравнению с существующими аккумуляторами. Стенд для электрохимических ячеек дает возможность применять различные электрохимические методы для характеристики материалов электродов. Для этого производится сборка электрохимической ячейки – прототипа аккумулятора. Это позволяет оптимизировать подбор анодных и катодных материалов, а также электролитов.

Естественно, после создания нового материала для аккумулятора его необходимо протестировать. Тогда мы подключаем аккумулятор к потенциостату, подаем постоянное напряжение или ток и регистрируем кривую заряда/разряда. Потенциостатический режим, соответственно, позволяет изучать поведение аккумуляторов или электрохимических ячеек при постоянном напряжении, а гальваностатический – при постоянном токе. Результатом тестирования являются следующие характеристики изученной батареи: например, мы видим, насколько быстро она заряжается и разряжается, сколько раз эту процедуру можно повторить без потери емкости аккумулятора.

Есть ли у студентов и аспирантов доступ к лаборатории?

Диаграммы на компьютере

Мы ориентируемся на европейскую систему работы в лаборатории. Все студенты и аспиранты, которые работают и учатся в нашем Центре по электрохимическому хранению энергии и прошли тренинги по работе с приборами, могут самостоятельно проводить измерения в лаборатории. При этом к каждому прибору из наших аспирантов назначен ответственный. Этот человек является контактным лицом и консультантом как для других лабораторий, так и для наших студентов.

Что касается других лабораторий Сколтеха, то мы готовы обсуждать все вопросы по сотрудничеству, проведению совместных исследований и научных проектов с использованием наших приборов. Мы открыты к любым взаимодействиям как с партнерами Сколтеха, так и с другими заинтересованными научными организациями и представителями индустрии.

Что будет являться итоговым продуктом лаборатории?

Светлана Борисова

Светлана Борисова

Наша лаборатория является частью ЦНИО по электрохимическому хранению энергии. Аббревиатура ЦНИО означает «центр науки, инноваций и образования». Соответственно и итоговых продуктов у лаборатории нашего Центра будет три.

Если мы говорим о науке, то это, в первую очередь, значимые научные результаты, отраженные в публикациях высокого уровня, в диссертациях наших аспирантов и дипломах студентов Сколтеха. Основным результатом в области образования является выпуск квалифицированных кадров международного уровня. Это будут студенты, ориентирующиеся в мировой науке и индустрии, способные проводить самостоятельные исследования, умеющие работать на представленных в лаборатории приборах. И наконец, инновации – это когда научные результаты достигают критической массы и преобразуются в коммерческие продукты, удовлетворяя потребности индустрии.

В середине следующего года мы планируем открытие второй части лаборатории, которая расширит наши аналитические возможности, а также будет содержать в себе оборудование для синтеза материалов, сборки и тестирования прототипов новых типов аккумуляторов.

В этом итоговом продукте соединятся наука, образование и инновации!

Подготовила: Шиманская Анна

Фото: Sk.ru

Tweet about this on Twitter0Share on Facebook0Pin on Pinterest0Share on Tumblr0Share on VK