"Все соединения и реагенты, использующиеся для создания "зеленых" батарей, отличаются высокой доступностью. Также важно, что вопросы экологии и экономики в химии часто идут рука об руку, поскольку более безопасный и экологичный метод всегда проще и дешевле в реализации и масштабировании", - прокомментировал один из авторов работы, научный сотрудник Института органической химии РАН Михаил Сыроешкин.
Современные аккумуляторы состоят из трех частей: катода, анода и электролита. Первый играет роль положительного полюса батареи и источника электрической энергии, второй - отрицательного полюса аккумулятора и "изымателя" тока, а электролит позволяет носителям заряда путешествовать между катодом и анодом. Мощность батареи напрямую зависит от состава катода, а их долговечность - от того, как сильно разрушается материал электролита и катода при циклах разряда-заряда.
Более того, от устройства всех компонентов батареи зависит и то, насколько они опасны для человека. К примеру, многие типы современных литий-ионных аккумуляторов взрываются из-за того, что при перегреве внутри них начинают возникать короткие замыкания. Они еще больше нагревают аккумулятор, испаряют электролит, превращая его в пузырьки горячего газа, что в конечном итоге приводит к расплавлению всего аккумулятора и взрыву.
Дополнительная проблема, как отмечают Сыроешкин и его коллеги, заключается в том, что для производства литиевых аккумуляторов нужно использовать соединения кобальта, хлора, кадмия, а также других токсичных веществ и материалов. Это осложняет переработку и захоронение батарей, которые выработали свой срок службы.
Подобные соображения, по его словам, мешают замене графитовых анодов на более емкие и производительные электроды из германия или кремния. Это связано с тем, что для того, чтобы их стабилизировать, нужны соединения хлора и других галогенов, крайне опасные для окружающей среды и здоровья людей.
Российские и французские химики выяснили, что эти же процедуры можно проделать, используя цитрат германия - соединение этого металла с лимонной кислотой. Как показали их эксперименты, это вещество можно использовать для производства наночастиц из чистого германия и сборки анода из них.
Картинка: литий-ионные батареи зеленого производства. Иллюстрация Евгении Савериной, первого автора статьи
Для этого нужно растворить двуокись германия в лимонной кислоте, покрыть этим раствором пластинку из меди и пропустить через нее ток. В результате на поверхности медной фольги возникнет пленка из наночастиц германия, которую можно использовать для сборки анода.
Первые эксперименты с подобными электродами показали, что они не уступают в емкости и долговечности лучшим образцам германиевых анодов, которые получены при помощи экологически грязных методик производства.
Как надеются ученые, изобретенный ими экологически чистый способ получения наночастиц быстро найдет применение в промышленности и при разработке новых типов литий-ионных аккумуляторов, за создание которых в этом году присудили Нобелевскую премию по химии.
