Ученые из СПбГУ и Института химии силикатов РАН создали новое соединение — K₂Na₈Ca (SO₄)₆ — и обнаружили, что оно существует в двух формах с разной кристаллической структурой, но одинаковым составом. Оказалось, что обе модификации могут работать как твердотельные электролиты, что особенно важно для аккумулирующих электростанций.

Профессор СПбГУ Станислав Филатов объясняет: структуру этого материала можно представить либо как плотную упаковку атомов металлов, либо как каркас из колонн, собранных из кластеров.

Эти кластеры состоят из:

• октаэдров MO₆  (атом металла, окруженный шестью атомами кислорода),
• тетраэдров SO₄  (атом серы с четырьмя кислородами).

Они соединяются через общие вершины — кислородные атомы.

Раньше был известен похожий, но нечистый минерал — бубноваит, названный в честь профессора Риммы Бубновой. Новый же материал синтезирован в лаборатории, а значит, лишен примесей.

Чтобы изучить его свойства, ученые провели серию экспериментов:

• рентгеноструктурный анализ при комнатной температуре,
• исследование порошковых образцов при нагреве,
• измерение тепловых и электрических свойств.

Оказалось, что при нагреве материал переходит в суперионное состояние — его электропроводность резко возрастает. Причем высокотемпературная форма проводит ток даже лучше, чем известный α-Na₂SO₄.

Суперионное состояние — это когда кристалл при нагреве начинает проводить ионы почти как жидкость, но при этом сохраняет твердую структуру. Представьте лед, сквозь который ток течет, как сквозь соленую воду, — но он не тает.

Почему это важно

• Обе модификации можно использовать в энергетике.
• Исследование помогает понять, как образуются природные минералы.
• Материал без примесей открывает новые возможности для промышленности.

Работа выполнена с использованием оборудования Научного парка СПбГУ.

Этот материал — шаг к более эффективным накопителям энергии. Твердотельные электролиты безопаснее жидких (не горят, не протекают), а их высокая проводимость при нагреве делает их перспективными для:

• Аккумулирующих электростанций — где нужно запасать энергию на долгий срок.
• Батарей нового типа — с большей емкостью и стабильностью.
• Промышленных процессов — где важна термостойкость.

Если удастся масштабировать производство, это может снизить стоимость хранения энергии.

Исследование не ответило на ключевой вопрос: насколько стабилен материал при длительной эксплуатации? Суперионная проводимость — это хорошо, но если структура деградирует после сотен циклов нагрева-охлаждения, практическое применение окажется под вопросом.

Ранее ученые разработали литий-ионную батарею с улучшенными характеристиками.