Металл-ионные аккумуляторы служат основным движущим фактором ожидаемого в ближайшем будущем повсеместного перехода к использованию возобновляемых источников энергии с целью обеспечения устойчивой экологической ситуации и энергетической безопасности на планете. Создание инновационных электродных материалов обеспечило мощный стимул к развитию высокоэффективных литий-ионных аккумуляторов, создатели которых были удостоены Нобелевской премией 2019 года, что лишний раз подтвердило высокую значимость химии твердого тела. Для вывода технологии металл-ионных аккумуляторов на качественно новый уровень потребуется целенаправленная работа по созданию принципиально новых материалов. Именно эта задача сегодня является серьезным вызовом для всего химического сообщества. Учитывая многообразие отличительных свойств отдельных атомов и ионов элементов таблицы Менделеева, а также наличие фундаментальных закономерностей и принципов на разных уровнях сложности решаемой задачи (см. Рисунок), можно утверждать, что для поиска новых электродных материалов для аккумуляторов ученым предстоит рассмотреть огромное множество возможных комбинаций. Вполне очевидно, что для поиска оптимальных химических соединений и структур в столь гигантском пространстве параметров ученым потребуются четкие методические рекомендации.
В обзоре, опубликованном в журнале Nature Communications, приводится краткое описание фундаментальных принципов и основных закономерностей в химии материалов для металл-ионных аккумуляторов, а также обсуждаются последние достижения в области создания электродных материалов и твердых электролитов с демонстрацией взаимосвязей между химическим составом, кристаллической и электронной структурами и электрохимическими свойствами материала. В обзоре особо подчеркивается важнейшая роль современных методов анализа, основанных на дифракции, визуализации высокого разрешения и спектроскопии, которые целесообразно использовать в сочетании с классическими подходами химии твердого тела в целях улучшения свойств материалов для аккумуляторов и, как следствие, создания новых направлений для дальнейших исследований.
Профессор Станислав Федотов: «Благодаря последним достижениям химии твердого тела и развитию методов исследования в ближайшем будущем нас ожидает еще больше серьезных открытий в области функциональных материалов. В Сколтехе в рамках программ магистратуры и аспирантуры проводятся учебные курсы по химии материалов и современным методам анализа, на которые мы приглашаем всех студентов, аспирантов и исследователей, стремящихся внести свой вклад в развитие существующих и перспективных технологий, призванных сделать наш мир лучше».
Директор CEST профессор Артем Абакумов: «В нашем кратком обзоре мы показали, что за исследованиями, ориентированными на конкретный продукт − металл-ионные аккумуляторы, и носящими, казалось бы, исключительно прикладной характер, стоит серьезная фундаментальная наука. Рациональный дизайн современных электродных материалов и твердых электролитов для перспективных аккумуляторов требует не только глубокого понимания кристаллохимии, химической связи, электронной структуры твердых тел, ионного транспорта, электрохимии и современных методов исследования материалов, но и владения смежными дисциплинами. Занимаясь поиском и созданием новых материалов, исследователи должны придерживаться комплексного подхода, основанного на использовании научных знаний в области химии твердого тела, а также применении высокопроизводительных вычислительных методов, которые уже очень скоро придут на помощь ученым».
