Синтез и исследование функциональных материалов для натрий-ионных аккумуляторов

Главная » Литература » Тезисы » Синтез и исследование функциональных материалов для натрий-ионных аккумуляторов

Кулова Т.Л.1, Скундин А.М.1, Чеканников А.А.1, Кузьмина А.А.1, Новикова С.А.2, Капаев Р.Р2.

1)ИФХЭ РАН, Москва

2)ИОНХ РАН, Москва

Общепризнано, что в настоящее время лучшими аккумуляторами являются литий-ионные аккумуляторы, имеющие максимальную энергоёмкость, достаточно длительный срок службы в широком диапазоне температур и токовых нагрузок. Такие аккумуляторы обеспечивают работу мобильных телефонов, портативных компьютеров, цифровых камер и т.п. В то же время, значительное расширение масштабов использования литий-ионных аккумуляторов ограничивается сырьевыми возможностями, а также экономическими соображениями. В этом отношении большие надежды возлагаются на ближайший возможный аналог литий-ионных аккумуляторов − натрий-ионные аккумуляторы. Содержание натрия в литосфере почти на три порядка превышает содержание лития. Мировые цены на основное сырьё для литий-ионных аккумуляторов − карбонат лития − в 20−30 раз превышают цены на карбонат натрия. По оценкам большинства экспертов, натрий-ионные аккумуляторы будут работать при более низких напряжениях (около 2,5 В), чем литий-ионные, что обеспечит повышение их стабильности и безопасности. Поскольку удельная энергия натрий-ионных аккумуляторов будет уступать аналогичному показателю литий-ионных аккумуляторов, основными сферами их применения могут стать стационарные устройства, например, в интеллектуальных энергосетях. Основные проблемы на пути создания натрий-ионных аккумуляторов сводятся к выбору функциональных электродных материалов.

В качестве функционального материала отрицательного электрода натрий-ионного аккумулятора был синтезирован титанат натрия Na2Ti3O7, который может обратимо интеркалировать два иона Na+ при среднем потенциале 0.3 В (отн. Na/Na+), при этом его теоретическая ёмкость составляет около 200 мАч/г. Основным способом его получения является твердофазный синтез, однако Na2Ti3O7 может быть также получен гидротермальным и золь-гель методами.

Образцы Na2Ti3O7, полученные при 1073 К твердофазным методом из «обычного» диоксида титана представляли собой стержни с максимальной длиной 4-6 мкм и средней толщиной 0.8 мкм. Морфология образцов Na2Ti3O7, полученных при 1073 K из мезопористого диоксида титана, была подобна морфология титаната натрия, полученного из «обычного» диоксида титана, однако размер частиц был несколько меньше (400-1000 нм).

Электрохимическая емкость титаната натрия, синтезированного при 1073 К из мезопористого диоксида титана, составила около 150 мАч/г на первом цикле. Необратимая емкость первого цикла титаната натрия, полученного при 1073 К из мезопористого оксида титана, составила около 100 % от обратимой емкости.

Данные потенциодинамических исследований титаната натрия хорошо согласуются с результатами их гальваностатических исследований. Обратимая емкость при потенциодинамическом  циклировании составила 127, 115, 79 мАч/г для первого, второго и третьего циклов, соответственно. Столь сильная деградация при циклировании, несомненно, связана со свойствами твердоэлектролитной пленки, формирующейся  на поверхности Na2Ti3O7 при катодной поляризации.

В качестве функционального материала положительного электрода натрий-ионного аккумулятора с помощью метода Печини был синтезирован нанокомпозит Na3V2(PO4)3/C со структурой NASICON. Размер частиц синтезированного материала составлял 20-60 нм. По результатам электрохимических измерений обратимая емкость Na3V2(PO4)3/C при токе 0.1С составила около 117 мАч/г. Увеличение плотности тока вплоть до 8 С не привело к значительному снижению обратимой емкости, которая при данном токе составила около 80 мАч/г. Высокое значение эффективного коэффициента диффузии лития (7.0×10-14 см2/с), вычисленного из циклических вольтамперограмм, а также слабая зависимость обратимой емкости от плотности тока, могут быть объяснены малым размером частиц и тонким углеродным покрытием композита Na3V2(PO4)3/C.

Рис. 1. Циклические вольтамперограммы титаната натрия Na2Ti3O7. Скорость развертки потенциала 0.1 мВ/с. Электролит 1 M NaPF6 в смеси этиленкарбонат-пропиленкарбонат (1:1). Номера циклов указаны на рисунке

 Зарядно-разрядные кривые композита ванадофосфата натрия

Рис. 2. Зарядно-разрядные кривые композита ванадофосфата натрия Na3V2(PO4)3/C. Электролит 1 M NaPF6 в смеси этиленкарбонат-пропиленкарбонат (1:1). Токи заряда-разряда указаны на рисунке 

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда. Соглашение № 16-13-00024.