Российские химики синтезировали энергоемкое вещество на основе органических соединений германия, которое стало достойным конкурентом графиту в производстве литий-ионных аккумуляторов. Проект поддержан Президентский грантом. Результаты исследования опубликованы в журнале ChemSusChem.

Достаточную энергоемкость современным батареям обеспечивают ионы лития, которые перемещаются между электродами, создавая электрический ток в процессе зарядки и разрядки. Роль катода обычно играет сложный оксид лития, а в роли анода выступает тонкий слой графита на медной фольге. Для увеличения емкости аккумулятора электроды должны принимать больше лития.

Сначала исследователи предложили вместо графита использовать диоксид германия, емкость которого больше вдвое. Но диоксид в чистом виде оказался нестойким и разрушался в течение нескольких циклов заряд/разряд. Причиной быстрой деградации является сама структура вещества: «мостики» кислорода соединяют атомы германия в четырех пространственных направлениях, образуя жесткий и хрупкий трехмерный полимер.

Ученые «разрыхлили» эту структуру, поместив в нее вместо одного из четырех кислородных «мостов» органический элемент, не позволяющий атомам сложиться в этот самый полимер. Таким образом были получены «органические сесквиоксиды германия». «Sesqui» на латыни значит «полтора», т.е. «на каждый атом германия приходится всего полтора атома кислорода».

«Полуторные оксиды» хорошо известны ученым. Они абсолютно безвредны для человека. Их даже используют в медицине, например, в составе БАДов, как «хорошо усваивающийся германий». Но для производства батарей важно и то, что сесквиоксиды способны сохранять свою структуру, вступая в реакцию с максимальным количеством лития.

Еще одно свойство — способность растворяться в воде — позволяет применить для производства «полуторных оксидов» простейший метод — сублимационную сушку водных растворов (так же получают, к примеру, растворимый кофе). Для этого раствор замораживают, после чего воду из него сублимируют — переводят в газообразное состояние сразу из твердого. При этом молекулы вещества соединяются и происходит кристаллизация. В итоге соединение выглядит как хризантема с лепестками толщиной 30–40 нанометров. Экспериментально доказано, что энергоемкость полученного вещества в два раза больше, чем у графита, а структура намного стабильнее, чем у обычного диоксида германия.