27 мая 2013 года

   Большая группа ученых из Южной Кореи изобрела технологию, способную утроить емкость и эффективность литий-ионных аккумуляторов.

   Исследователи из Сеульского национального университета обнаружили способ увеличить емкость литий-ионных аккумуляторов в три раза. Для этого используется наноструктура из оксидов железа и марганца вместо графита на катоде батареи. Попутно выросла эффективность: нынешний прототипный аккумуляторный модуль теряет менее 0,5% своих показателей после многочисленных циклов перезарядки.

   На заре исследований, посвященных наноматериалам, химики создавали особые среды для выращивания новых нанокристаллических материалов. Для этого использовалась соответствующая смесь растворителей, поверхностно-активных веществ и молекулярных предшественников. Проводились эксперименты над тем, чтобы заставить атомы в таких смесях самостоятельно собираться в нужную форму.

   Позже ученые выяснили, что лучше обращаться к подготовленным заранее нанокристаллам, выступающим шаблонами для создания нужных материалов. Добавление определенных химикатов заставляет их изменяться в требуемую сторону с рождением наночастиц с заданными свойствами. В металлических нанокристаллах атомарные реакции обмена могут быть запущены через задействование уменьшенной разности потенциалов между металлом в шаблоне и металлическими ионами в растворе — такой метод носит название гальванического замещения. Суть заключена в процессе диффузии атомов, когда последние покидают структуры, создавая незанятые места. До сих пор этот метод мог применяться только с металлами, но сейчас придумано, как воспользоваться им в ионных соединениях.

   Чтобы заставить гальваническое замещение работать с ионными соединениями, исследователи обратились к реакциям окислительно-восстановительных пар между многовалентными металлическими ионами. Когда они вынудили нанокристаллы оксида марганца вступить в реакцию с перхлоратом железа, возник новый тип нанокристаллов, в конечном итоге облекшихся в форму пустотелых кристаллов, напоминающих клетки. Их назвали наноклетками. Процесс возможен потому, что ионы марганца с более высокой степенью окисления естественным способом заменяются на ионы раствора с более низкой степенью окисления.

   Результаты научной работы демонстрируют, что ионные соединения могут легко и недорого использоваться в качестве шаблонов для создания новых и полезных нанокристаллических материалов, в дальнейшем применяемых в различных областях, от выработки энергии до биотехнологии и электроники.

Юрий Стрельченко