В СГТУ предложили перспективное решение для создания твердотельных накопителей энергии, устойчивых к суровому климату

Освоение Арктики, Крайнего Севера и других регионов с суровым климатом требует создания надежных автономных источников питания. Сегодня для питания датчиков, измерительных комплексов, систем связи и другой техники широко используются аккумуляторы и суперконденсаторы. Однако большинство существующих устройств содержит жидкие электролиты, которые при сильном охлаждении резко теряют ионную проводимость или вовсе замерзают. В результате эффективность накопителей энергии значительно снижается, а иногда они полностью перестают работать.

Одним из перспективных решений этой проблемы являются полностью твердотельные накопители энергии. Выпускник кафедры «Химия и химическая технология материалов» Физико-технического института Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. Самир Сулхаев предложил твердый электролит на основе полититаната калия для применения в накопителях энергии, эксплуатируемых при средних и низких температурах.

Под руководством доктора химических наук, профессора Владимира Гоффмана молодой исследователь провел ряд экспериментов, объектом которых стал аморфный полититанат калия состава 30:50:20 (TiO₂–KOH–KNO₃).

«Благодаря своей слоистой квазиаморфной структуре материал обладает развитой системой внутренних каналов, по которым могут перемещаться ионы. Это делает его перспективным кандидатом для использования в качестве твердого электролита в накопителях энергии, предназначенных для эксплуатации при низких температурах», – отмечает Самир Сулхаев.

Были исследованы структура материала, его транспортные свойства и электрохимические характеристики. С помощью рентгенофазового анализа установлено, что полученный полититанат калия находится преимущественно в квазиаморфном состоянии с локальным упорядочением, характерным для тетратитаната калия. Именно эта смешанная структура оставляет пустоты для движения заряженных частиц – ионов. Поэтому материал хорошо проводит ток и не теряет своих свойств при охлаждении.

Особое внимание было уделено исследованию температурной зависимости ионной проводимости. Для точных измерений был применен метод импедансной спектроскопии — в образец материала подавались электрические сигналы разной частоты.

Изучение результатов опыта показало выраженный излом на температурной зависимости проводимости. При охлаждении ионам стало гораздо проще проходить сквозь вещество, и при низкой температуре частицы стали передвигаться внутри материала совершенно по-другому.

Накопитель энергии оказался работоспособен при сверхнизких температурах. При температуре ниже -40℃ выявлен изгиб температурной зависимости, свидетельствующий о смене механизма переноса зарядов. Это делает материал перспективным для создания накопителей энергии, рассчитанных на эксплуатацию в условиях холодного климата.

Помимо исследования самого электролита был изготовлен лабораторный макет симметричного твердотельного суперконденсатора по схеме «композитный электрод — твердый электролит — композитный электрод». Для оценки его характеристик использовались методы циклической вольтамперометрии, чтобы выяснить насколько легко материал отдаёт и принимает заряд, происходят ли внутри него какие-то побочные химические реакции и сохраняет ли он свою структуру при таких электрических нагрузках, а также гальваностатического заряда-разряда, который представляет собой своеобразный тест на выносливость в реальных условиях.

«Испытания показали, что разработанная электрохимическая ячейка демонстрирует стабильную работу, сохраняя кулоновскую эффективность на уровне 89–90 %, а также высокую циклическую стабильность в течение не менее 100 циклов без заметного ухудшения характеристик. Анализ позволил определить основной фактор, ограничивающий мощность устройства — высокое внутреннее сопротивление электродов. В качестве одного из путей дальнейшего совершенствования конструкции предложено увеличение содержания углеродной добавки, что позволит снизить сопротивление и повысить энергетические характеристики накопителя», – рассказал Самир Сулхаев.

Полученные результаты подтверждают высокий потенциал аморфного полититаната калия как материала для создания твердотельных накопителей энергии нового поколения. Разработка подобных систем позволит повысить надежность автономных источников питания, предназначенных для эксплуатации в Арктике, на Крайнем Севере и в других регионах, где низкие температуры являются одним из главных ограничивающих факторов работы современной электроники.