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 все 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 жесткий углерод, образованный из нерегулярно расположенных, искаженных графитоподобных слоев. Он демонстрирует свойства хранения ионов натрия, сравнимые со свойствами графита в литиевых батареях, однако до сих пор оставалось неясным, за счет чего это достигается.
Авторы исследования подтвердили и дополнили одну из нескольких существовавших гипотез о механизме накопления натрия в твердом 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 "псевдоемкостью", которые образуют очень узкую нишу суперконденсаторов среди химических источников энергии.
"Эта работа замечательна не только тем, что показывает, как жесткий углерод работает в натриево-ионной системе, но также и тем, что нашла способ получения твердого углерода с емкостью 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 ее именно за твердый углерод. Этот анодный материал три десятка лет назад дал первый импульс к широкой популярности литий-ионных батарей, а позднее был заменен графитом. Теперь твердый углерод имеет шанс обеспечить успех еще одной новой технологии.
