Механизм работы анода натрий-ионных аккумуляторов

07.08.2020

Исследователи из МГУ и Сколковского института науки и технологий выяснили, какие процессы происходят при работе анодного материала в натрий-ионных аккумуляторах. Результаты исследования позволят приблизить выход на массовый рынок безопасных источников тока. Работа ученых опубликована в журнале Electrochimica Acta.

Литий-ионные аккумуляторы сегодня используются чаще всего и представляют собой самый массовый химический источник тока. Потребность в них и средний размер постоянно растет, однако с этим ростом связаны и определенные проблемы: дороговизна литиевых солей, ограниченность мировых запасов металла и неоднородность распределения содержащих его ископаемых на Земле. Чтобы преодолеть эти трудности, исследователи стараются создать альтернативную технологию натрий-ионных аккумуляторов. Предполагается, что она сможет потеснить не только литий-ионные, но и свинцово-кислотные аккумуляторы.

Натрий — шестой по распространенности в земной коре элемент, цена солей которого примерно в 100 раз ниже литиевых. Эти элементы располагаются в одной группе щелочных металлов, и их свойства отчасти похожи. Однако из-за некоторых различий в химических свойствах необходимо искать особые подходы для замены лития натрием.

Основная проблема натрий-ионных аккумуляторов — это анод. Если в литиевых аналогах успешно используется графит, то для натриевых он не подходит из-за того, что размеры углеродных шестиугольников и катиона натрия не соответствуют друг другу и интеркаляции ионов в решетку графита не происходит. В такой системе может найти применение «твердый углерод». Это разупорядоченная структура из изогнутых графитоподобных слоев, которая способна запасать достаточно большое количество натрия. Но как именно это происходит, до сих пор было не совсем понятно.

«Существует целый ряд гипотез о возможных механизмах внедрения натрия в "твердый углерод", — рассказывает руководитель работы, старший научный сотрудник Центра энергетических наук и технологий Сколтеха и МГУ Олег Дрожжин. — Мы доказали правомерность одной из них, дополнительно слегка ее расширив. Мы обнаружили, что основной заряд "твердый углерод" набирает по интеркаляционному механизму, и это отличная новость. Интеркаляция необходима аккумулятору, а поверхностные процессы, связанные с "псевдоемкостью" — это удел суперконденсаторов, то есть очень узкой ниши химических источников тока».

Согласно исследователям, их работа интересна не только экспериментальным подтверждением одной из гипотез интеркаляции натрия. Одно из главных достижений исследователей — создание «твердого углерода» с емкостью более 300 мАч/г — примерно как у графита в литий-ионных аккумуляторах.