Учёные из Сколтеха (входит в группу ВЭБ.РФ) представили обзор, посвящённый использованию полициклических ароматических углеводородов в металл-ионных аккумуляторах. Работа, опубликованная в журнале Progress in Materials Science и поддержанная грантом РНФ, систематизирует более десяти лет исследований и открывает новые направления для создания экологичных, безопасных и дешёвых аккумуляторов следующего поколения. Замена редких и дорогих металлов на доступные органические соединения вроде нафталина или антрацена позволит снизить зависимость от импортного сырья и уменьшить углеродный след производства. А благодаря технологии химической регенерации с использованием пирен-литиевых комплексов отработанные батареи можно будет восстанавливать, возвращая им до 100 процентов первоначальной ёмкости.
Полициклические ароматические углеводороды представляют собой обширный класс органических соединений, многие из которых давно известны и доступны — например, нафталин, антрацен (используется в производстве красителей) и пирен (содержится в составе каменноугольной смолы). Их уникальные электронные свойства делают такие соединения крайне перспективными для хранения энергии. Авторы обзора показывают, как такие молекулы могут заменить традиционные неорганические материалы, добыча и переработка которых часто связаны с высокими затратами и экологическим ущербом.
Ключевое преимущество углеводородов заключается в их гибкости. В отличие от жёсткой структуры графита, который сегодня доминирует на рынке анодов для литиевых аккумуляторов, молекулы углеводородов можно настраивать под конкретные задачи.
«Мы показали, что обычные ароматические соединения, такие как нафталин или антрацен, способны работать не хуже, а в некоторых случаях и лучше дорогих синтетических материалов. Их главное преимущество — это возможность точной настройки электрохимических свойств с помощью введения атомов других элементов или функциональных групп. Это открывает путь к созданию аккумуляторов, в которых ключевые компоненты будут синтезироваться из возобновляемого сырья», — поделился первый автор работы Илья Чепкасов, старший научный сотрудник Центра технологий материалов Сколтеха.
Авторы обзора также проанализировали использование углеводородов для предварительной металлизации электродов. «Эта технология решает фундаментальную проблему первых циклов работы батареи, когда значительная часть ионов металла тратится на формирование защитной плёнки на аноде и безвозвратно теряется. Предложенные реагенты, такие как литий-нафталенид или натрий-бифенил, действуют как мягкие химические доноры ионов и насыщают анод металлом ещё до сборки аккумулятора», — рассказал соавтор работы Станислав Евлашин, доцент Центра технологий материалов Сколтеха.
В обзоре также представлен анализ того, как современные методы машинного обучения и высокопроизводительного виртуального скрининга ускоряют поиск оптимальных молекул. Химическое пространство полициклических ароматических углеводородов и их производных насчитывает миллионы возможных структур, и экспериментально проверить каждую невозможно.
«Машинное обучение сейчас повсеместно используют при создании аккумуляторов. За последние пару лет из экспериментального метода оно превратилось в обычный рабочий инструмент. Только за год вышло огромное количество значимых статей на эту тему: про ИИ-поиск молекул, новые катоды, подбор электролитов и их поведение, ускоренный анализ материалов для твердотельных и литий-серных аккумуляторов. И это не просто исследования — уже появляются удобные модели и даже целые программы на основе ИИ», — отметил руководитель исследования, профессор Центра технологий материалов Сколтеха Александр Квашнин.
