Наноструктуры против сурового климата

Научный сотрудник Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ, кандидат химических наук Илья Гаврилин по итогам 2025 года стал лауреатом премии Правительства Москвы для молодых учёных. Высокую награду он получил за цикл работ, открывающих путь к созданию аккумуляторов нового поколения, способных эффективно работать даже в условиях сурового климата — при температурах до -50 градусов.В этой статье мы расскажем подробнее об этом инновационном решении.

Новый технологический подход к синтезу наноструктур

Илья Гаврилин, представляющий Институт перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ и Институт физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН (ИФХЭ РАН), разработал новый технологический подход к электрохимическому синтезу нитевидных наноструктур германия (Ge). Предложенный метод позволяет формировать структуры из водных растворов, где в качестве прекурсора (соединения, участвующего в химических реакциях как предшественник для синтеза других, более сложных соединений) используется водорастворимый диоксид германия (GeO₂). Особенностью подхода является использование легкоплавкого металла (In, Sn) в качестве среды растворения и кристаллизации Ge. Предложенный подход не требует высокотехнологичного и дорогостоящего оборудования — всё необходимое есть в РФ.

Исследование электрохимических процессов

В рамках цикла работ проведены исследования процессов внедрения ионов лития и натрия в нитевидные наноструктуры Ge. Впервые выполнены исследования внедрения лития при отрицательных температурах, что привело к разработке принципиально новых отрицательных электродов литий-ионных аккумуляторов, способных эффективно работать в условиях холодного климата (Патент RU 2743576C).

Установлено, что при токе разряда 1С, при котором ёмкость 1000 mAh разряжается за час, обратимая ёмкость нитевидных наноструктур Ge составляет:

• при -20°С — около 1000 мАч/г;
• при -50°С — около 250 мАч/г.

Для сравнения: у Li₄Ti₅O₁₂ — материала анода, наиболее часто используемого для отрицательных температур, — обратимая ёмкость при токе разряда 1С даже при -20°С не превышает 200 мАч/г.

Предложен новый подход к модификации наноструктур германия, позволяющий повысить стабильность таких структур при длительном циклировании литий-ионного аккумулятора. Исследования внедрения натрия в нитевидные наноструктуры Ge позволили сформулировать новые принципы создания отрицательных электродов с повышенной удельной ёмкостью в расчёте на единицу площади или объёма электрода.

Практическая реализация

Представленный цикл исследований является научным и технологическим заделом для создания литий-ионных аккумуляторов с анодом на основе нитевидных наноструктур германия, которые будут обладать не только повышенной практической удельной энергией по сравнению с коммерческими аналогами, но и обеспечат возможность работы, включая зарядку, при отрицательных температурах до -50°С. Такие аккумуляторы необходимы для питания портативной аппаратуры, а также различного наземного и воздушного электротранспорта.

В настоящее время совместно с технологическими партнёрами ведётся работа по реализации пилотного производства нитевидных наноструктур германия.

Применение в оптоэлектронике

Наряду с направлением металл-ионных аккумуляторов, новая методика формирования наноструктурированного Ge из водных растворов также позволила предложить новые технологические подходы к формированию плёночных структур на основе твёрдого раствора Si₁₋ₓGeₓ.

Данный подход обеспечивает возможность получения плёночных структур Si₁₋ₓGeₓ для применения в оптоэлектронных приборах. Такой подход будет более технологичен при меньших затратах по сравнению с существующими методами получения тонкоплёночных структур, при этом с более высоким фактором мощности и коэффициентом термо-ЭДС при комнатной температуре по сравнению с известными в настоящее время аналогами. Полученный научно-технический задел в данной области позволит создать эффективные неохлаждаемые приёмники излучения ИК-диапазона на основе термоэлектрических элементов. Приёмники такого рода используются для преобразования инфракрасного излучения в электрические сигналы и играют принципиально важную роль в таких устройствах, как тепловизоры, дистанционные датчики, а также системы медицинской диагностики и безопасности.

Вклад учёных и признание научного сообщества

Результаты проведённых исследований Ильёй Гаврилиным и Юлии Кудряшовой опубликованы как в российских, так и в зарубежных научных журналах (более 40 публикаций, из которых 31 в изданиях квартилей Q1 и Q2), получены 5 патентов на изобретение, из них один патент отмечен дипломом в номинации «100 лучших изобретений России за 2021 год». Научные результаты неоднократно представлялись и отмечались дипломами за лучшие доклады на национальных и международных конференциях.

Премия Правительства Москвы стала подтверждением того, что фундаментальные исследования, проводимые в стенах МИЭТа, имеют огромное прикладное значение и способны в ближайшее время повлиять на развитие реального сектора экономики.

«Хочу выразить слова благодарности ректору МИЭТа Сергею Александровичу Гаврилову, который является моим научным наставником с момента подготовки кандидатской диссертации и по сей день, проректору по научной работе Алексею Алексеевичу Дронову и всему коллективу Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ за поддержку. Также я очень признателен Татьяне Львовне Куловой и Александру Мордухаевичу Скундину, моим коллегам и представителям одной из самых известных научных школ в области электрохимии — научной школы академика А.Н. Фрумкина», — отметил Илья Гаврилин.