Натрий-ионные батареи получат анод из нанокристаллов сурьмы

Растущий спрос на эффективные аккумуляторы и сравнительная ограниченность природных запасов используемого в них лития, в последние годы привлекают внимание исследователей к идентичной технологии, но основанной на применении ионов натрия. Однако, если литиевые батареи изучаются уже на протяжении более 20 лет, о материалах, способных эффективно накапливать ионы натрия, известно гораздо меньше.

Об одном из последних успехов в этом направлении, достигнутом учеными из ETH Zurich и Empa, сообщил журнал Nano Letters. Коллективу под руководством Максима Коваленко, удалось впервые синтезировать однородные нанокристаллы сурьмы, особые свойства которых делают их главным кандидатом на роль материала анода, как литий-ионных, так и натрий-ионных элементов питания.

Уже давно известно, что сурьма превосходит традиционно используемый в электродах батарей графит по энергоемкости на два порядка. Предварительные опыты подтвердили ее пригодность для применения в аккумуляторах и способность поглощать ионы, как лития, так и натрия. Однако, для того, чтобы реализовать потенциал сурьмы наиболее полно, ее нужно использовать в особой — монодисперсной — форме.

Нанокристаллы, синтезированные химическим способом командой Коваленко, имеют размер в диапазоне от 10 до 20 нм. Насыщение литием (или натрием) вызывает значительное увеличение объема сурьмы, но в нанокристаллах подобное разбухание обратимо и не ведет к разрушению материала анода. Для предотвращение слипания наночастицы сурьмы смешивали с электропроводящим углеродным наполнителем.

Электрохимическое тестирование показало, что такие электроды одинаково хорошо функционируют в натриевых и литиевых батареях. Этот результат особенно важен, так как лучшие анодные материалы коммерческих аккумуляторов (графит и кремний) способны работать только с ионами лития, но не натрия.

Размеры полученных монодисперсных нанокристаллов оказались наиболее оптимальны с точки зрения емкости и плотности энергии. Частицы диаметром менее 10 нм страдают от окисления из-за большого отношения поверхности к объему, а размером более 100 нм — склонны терять целостность при упомянутом выше разбухании в процессе эксплуатации аккумуляторов.

Также выяснилось, что наилучшие показатели достижимы и для полидисперсных частиц сурьмы, в том случае если их размеры попадают в указанный диапазон. Как отметил Коваленко, это обстоятельство существенно упрощает задачу поиска экономически выгодного способа коммерческого синтеза нового электродного материала.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365