Международная команда исследователей разработала способ модификации пентоксида ванадия с помощью никеля. Новый подход позволил увеличить электропроводность материала втрое и может открыть дополнительные возможности для совершенствования литий-ионных батарей. Поиск новых материалов для аккумуляторов, способных дольше сохранять энергию, быстрее заряжаться и обходиться производителям дешевле, остается одним из ключевых направлений современной науки. Очередной шаг в этой области сделали специалисты международной исследовательской группы, объединившей ученых из России, Китая, Франции и Люксембурга.
В работе участвовали представители Уральского федерального университета. Исследователи сосредоточились на совершенствовании пентоксида ванадия — химического соединения, которое рассматривается как перспективная основа для производства катодов литий-ионных аккумуляторов. Главным результатом эксперимента стало существенное улучшение электропроводности материала. Для этого ученые внедрили в его структуру атомы никеля, воспользовавшись технологией ионной имплантации. Проведенные исследования показали, что после такой обработки способность вещества проводить электрический ток увеличилась примерно в три раза. При этом исходную структуру материала удалось сохранить. Результаты экспериментов опубликованы в научном журнале Surfaces.
Почему ученые заинтересовались соединением ванадия
Современные аккумуляторные технологии во многом зависят от свойств материалов, из которых изготавливаются электроды. Именно они определяют, сколько энергии сможет накопить батарея, насколько быстро она будет работать и как долго сохранит свои характеристики. Одним из перспективных кандидатов для создания новых катодов считается пентоксид ванадия. Интерес к нему объясняется сочетанием нескольких характеристик: относительно доступным получением, высоким рабочим напряжением и значительной потенциальной емкостью.
По оценкам специалистов, удельная емкость этого материала может составлять около 294 мАч/г, а в отдельных расчетах достигает 596 мАч/г. Такие показатели делают его интересным объектом для дальнейших исследований в сфере электрохимического накопления энергии. Как отмечает заведующий лабораторией фотовольтаических материалов Уральского федерального университета Иван Жидков, высокая емкость является одним из главных преимуществ пентоксида ванадия. При этом материал сравнительно прост в получении и имеет невысокую стоимость.
Однако одних высоких показателей емкости недостаточно, чтобы использовать соединение в массовом производстве аккумуляторов. Для практического применения необходимо обеспечить эффективное движение электронов внутри материала и его устойчивость при продолжительной эксплуатации.
Никель решил одну из главных технологических проблем
Несмотря на перспективные свойства, пентоксид ванадия имеет существенный недостаток — невысокую электронную проводимость. Это ограничивает возможности его использования в аккумуляторных системах, поскольку затрудняет перенос заряда и может отрицательно влиять на скорость зарядки и разрядки. Кроме того, при эксплуатации аккумуляторов важно учитывать процессы постепенного изменения структуры электродных материалов. Такая деградация способна привести к снижению емкости и сокращению срока службы батареи.
Чтобы улучшить характеристики пентоксида ванадия, исследователи предложили изменить его состав на атомном уровне. Для этого в материал внедрили никель методом ионной имплантации. Технология позволила модифицировать исследуемое соединение без разрушения его первоначальной структуры. Эксперимент показал, что электропроводность обработанного материала оказалась приблизительно втрое выше, чем у исходного пентоксида ванадия.
Иван Жидков пояснил, что именно недостаточная способность материала проводить электрический ток создает ограничения для его применения в аккумуляторах. Улучшение этого параметра потенциально может положительно сказаться на рабочих характеристиках батарей, в том числе на процессах передачи заряда. При этом ученый подчеркивает, что полученный результат пока не позволяет делать окончательные выводы о поведении нового соединения в готовом аккумуляторе. Предстоит проверить его функциональность, стабильность и другие эксплуатационные характеристики.
Разработка еще должна пройти практические испытания
Нынешний этап работы представляет собой важный научный результат, но до промышленного использования технологии еще далеко. Исследователям необходимо установить, насколько эффективно модифицированный пентоксид ванадия будет функционировать в составе реального катода. В ближайших планах научной группы — проведение испытаний на экспериментальных образцах и дальнейшая работа над повышением электропроводности. В перспективе этот показатель необходимо довести до уровня, характерного для современных промышленных материалов, используемых в аккумуляторной отрасли.
Особое значение будут иметь испытания на долговечность. Для производителей батарей важно не только получить высокую начальную емкость, но и обеспечить сохранение характеристик после многочисленных циклов зарядки и разрядки. Не менее важным фактором станет совместимость нового материала с остальными компонентами аккумулятора. Только комплексная проверка позволит оценить, насколько перспективная лабораторная разработка пригодна для создания коммерческих изделий.
Таким образом, ученые пока не представили готовую альтернативу существующим аккумуляторам, однако предложили способ улучшения одного из материалов, который потенциально может применяться в батареях будущего.
Новые материалы становятся ключом к развитию электротранспорта
Интерес к подобным исследованиям объясняется быстрым расширением мирового рынка систем накопления энергии. Литий-ионные аккумуляторы сегодня используются практически во всех сегментах современной электроники — от мобильных телефонов и компьютеров до электромобилей и крупных энергетических установок. Особенно высокие требования предъявляются к батареям для электрического транспорта. Производители стремятся увеличить запас хода автомобилей, сократить продолжительность зарядки и одновременно уменьшить массу и стоимость аккумуляторных блоков.
Решение этих задач невозможно без совершенствования материалов, применяемых при изготовлении электродов. Поэтому научные коллективы по всему миру изучают различные химические соединения, способы их модификации и новые технологические методы производства. Потенциальное преимущество пентоксида ванадия заключается в возможности сочетания высокой удельной емкости с относительно доступным получением. Если ученым удастся устранить существующие ограничения по электропроводности и обеспечить необходимую стабильность, этот материал может занять свое место среди перспективных решений для аккумуляторной промышленности.
Исследование с участием специалистов УрФУ демонстрирует, что изменение состава материала на атомном уровне способно существенно влиять на его физические свойства. Дальнейшие эксперименты покажут, можно ли превратить достигнутый лабораторный результат в технологию, востребованную производителями аккумуляторов.
Справка News-Asia
Литий-ионные аккумуляторы остаются одним из наиболее быстро развивающихся сегментов мировой высокотехнологичной промышленности. Основные инвестиции и научные разработки в этой сфере направлены на увеличение плотности хранения энергии, повышение безопасности, продление срока эксплуатации и снижение себестоимости готовых изделий. Согласно оценкам, приведенным в исходных отраслевых материалах, в 2026 году объем мирового рынка литий-ионных батарей может достигнуть 136 млрд долларов. Существенную роль в расширении отрасли играет развитие электромобильности, поскольку электрический транспорт становится одним из крупнейших потребителей аккумуляторных систем.
По прогнозам, к 2030 году на электромобили может приходиться около 89% общего объема рынка аккумуляторных батарей. Лидирующие позиции в отрасли занимает Азиатско-Тихоокеанский регион, доля которого по итогам 2025 года оценивалась более чем в 55,7%. Ключевым производственным и технологическим центром остается Китай. На этом фоне исследования новых электродных материалов приобретают особое значение. От результатов научной работы в этой области будут зависеть дальнейшее развитие электротранспорта, совершенствование портативной электроники и расширение возможностей хранения энергии из возобновляемых источников.
На фото: Иван Жидков, руководитель исследовательской группы от Уральского федерального университета
Фото: Родион Нарудинов / УрФУ
Комментарии