Исследование прояснило механизм накопления энергии в натрий-ионной батарее

Ученые из Сколтеха и МГУ установили тип электрохимической реакции, связанной с накоплением заряда в материале анода натрий-ионных аккумуляторов). Их результаты вместе с предлагаемым методом изготовления анодов, представлены в журнале Electrochimica Acta.

Спрос на литий-ионные аккумуляторы постоянно растет, однако полноценному его удовлетворению всё больше препятствуют высокая стоимость солей лития, ограниченные глобальные запасы этого металла и неравномерное географическое распределение месторождений лития. Чтобы обойти эти ограничения, ученые всего мира работают над жизнеспособной альтернативной технологией — натрий-ионными батареями.

Натрий является шестым наиболее распространенным элементом в земной коре. Его соли примерно в 100 раз дешевле литиевых. Но хотя натрий похож на литий по химическим свойствам, у него есть и отличия, которые требуют новых подходов к конструированию батарей. В частности, успешно применяемый в качестве анодного материала литий-ионных батарей графит, не работает в натриевых аккумуляторах: гексагональные ячейки углерода слишком малы, чтобы обеспечить просачивание в анод катионов натрия.

По-видимому единственным материалом, который может быть использован в натриевом аноде является твердый или жёсткий углерод, образованный из нерегулярно расположенных, искаженных графитоподобных слоёв. Он демонстрирует свойства хранения ионов натрия, сравнимые со свойствами графита в литиевых батареях, однако до сих пор оставалось неясным, за счёт чего это достигается.

Авторы исследования подтвердили и дополнили одну из нескольких существовавших гипотез о механизме накопления натрия в твёрдом углероде. Ими было установлено, что твердый углерод демонстрирует по большей части поведение интеркалирующего типа. Интеркаляция — обратимое включение ионов в слоистые структуры — это именно то, что нужно батарее, в отличие от поверхностных процессов, связанных с «псевдоёмкостью», которые образуют очень узкую нишу суперконденсаторов среди химических источников энергии.

«Эта работа замечательна не только тем, что показывает, как жёсткий углерод работает в натриево-ионной системе, но также и тем, что нашла способ получения твёрдого углерода с ёмкостью более 300 мАч/г, сравнимой с графитом в литий-ионных батареях», — комментирует Евгений Антипов, профессор Сколтеха и заведующий кафедрой электрохимии химфака МГУ.

Один из прошлогодних лауреатов Нобелевской премии по химии получил её именно за твёрдый углерод. Этот анодный материал три десятка лет назад дал первый импульс к широкой популярности литий-ионных батарей, а позднее был заменён графитом. Теперь твёрдый углерод имеет шанс обеспечить успех ещё одной новой технологии.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI