Ученые Института физики Казанского федерального университета предложили модель и изучили свойства нового материала – ковалентного триазинового каркаса, допированного атомами кремния и фтора (F,Si-CTF₀). Его использование может стать следующим шагом в совершенствовании современных металл-ионных аккумуляторов. Работа была проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет–2030».

Исследование было выполнено: ведущими научными сотрудниками НИЛ «Компьютерный дизайн новых материалов и машинное обучение» Института физики Садегхом Кавиани и Ириной Гумаровой, аспиранткой Института физики Айгуль Шамсиевой, доцентом кафедры общей физики Института физики Олегом Недопекиным под руководством первого проректора – проректора по научной деятельности КФУ, заведующего кафедрой общей физики Дмитрия Таюрского.

Одной из стратегических задач современной науки является поиск экологичных, возобновляемых альтернатив ископаемого топлива. Однако ввиду их ограниченности и зависимости «зеленой» энергетики от внешних условий встает вопрос разработки эффективных систем хранения энергоносителей.

Современная электроника работает на высокомощных аккумуляторах. Такими являются металл-ионные аккумуляторы, в частности, литиевые. Они небольшого размера и обладают конкурентными характеристиками – высокой энергоплотностью и напряжением, длительным сроком службы и низкой скоростью саморазряда. Использование в металл-ионных аккумуляторах традиционных неорганических электродов требует поиска более устойчивых и безвредных для окружающей среды альтернатив.

Ковалентные триазиновые каркасы считаются перспективной основой для электродов литий-ионных аккумуляторов из-за их большой пористости, хорошей химической и термической стабильности, однако их низкая электрическая проводимость приводит к плохим электрохимическим характеристикам, поэтому ведется поиск более совершенных соединений.

Предложенный учеными Казанского университета материал интересен в использовании в качестве анодного электрода в современных перезаряжаемых литий-ионных батареях.

«Ковалентные триазиновые каркасы имеют ряд преимуществ. Их молекулярные структуры можно легко модифицировать – они легкие, гибкие и экологически чистые, также они потенциально дешевые», – отметил С. Кавиани.

Таким образом, уверена научный сотрудник И. Гумарова, использование новых органических триазиновых каркасов может стать следующим шагом в совершенствовании современных металл-ионных аккумуляторов для повышения их эффективности, долговечности и безопасности:

«Для изучения данного материала мы воспользовались одним из наиболее широко используемых и универсальных методов – методом функционала плотности. Нами проанализированы механическая и термодинамическая стабильность структуры и исследованы различные энергетические характеристики соединения, такие как прочность, теоретическая емкость, энергия адсорбции, уровень диффундирования», – рассказала физик.

Результаты изучения ковалентного триазинового каркаса, допированного атомами кремния и фтора, показывают, что при механическом и термическом воздействии соединение способно обеспечить высокие емкостные характеристики и стабильную работу при зарядке-разрядке литий-ионных аккумуляторов. Кроме того, материал демонстрирует высокую теоретическую емкость – 462 мАч/г. К слову, емкость графена, используемого в настоящее время, составляет лишь 372 мАч/г. Ученые также рассчитали, что в соединении преобладают ковалентные связи, которые отличаются самыми прочными структурными связями.

«Данный монослой хорошо взаимодействует с ионами лития, что обеспечивает надежность работы батареи, а ионы лития имеют низкие диффузионные барьеры на поверхности монослоя, что позволяет достигать больших скоростей в процессе зарядки-разрядки батареи», – поясняет А. Шамсиева.

Создание и применение органических ковалентных каркасов с различными модификациями может стать новым этапом для развития энергетической промышленности – от электромобилей до сетей электроснабжения.

Ранее физики КФУ рассчитали стабильность трифторидов редкоземельных элементов под давлением.