3 августа 2022, 22:30 Николай Посунько

Новый материал позволит перейти от литиевых батарей к более экологичным и эффективным натриевым

Альтернативная энергетика
Электроника
Материаловедение

На фоне более чем пятикратного роста цены на литий за год ученые из Сколтеха и МГУ разработали материал для альтернативных, натрий-ионных аккумуляторов. Он представляет собой порошок фторидофосфата натрия — ванадия с особой кристаллической решеткой. Согласно опубликованным в журнале Nature Communications результатам испытаний, изготовленные из нового материала катоды обеспечивают рекордную на сегодняшний день энергоемкость натрий-ионного аккумулятора, устраняя одно из препятствий для более широкого внедрения этой безлитиевой технологии.

Новый материал позволит перейти от литиевых батарей к более экологичным и эффективным натриевым
Структура предложенного материала, СЭМ

Литий-ионные аккумуляторы используются во всех портативной электронике, электромобилях и, например, на солнечных или ветряных электростанциях, где они накапливают энергию и сглаживают колебания от смены погоды. Несмотря на преимущества этой технологии, зависимость от лития является экономическим фактором риска, поскольку промышленно значимые соединения этого металла неуклонно дорожают, их производство неэкологично, а месторождения очень неравномерно разбросаны по миру. Альтернатива в каком-то смысле напрашивается сама собой — это расположенный на одну клетку ниже в таблице Менделеева куда более распространенный щелочной металл натрий.

Натрий-ионные аккумуляторы — сравнительно новая технология. Хотя базовая архитектура батареи не меняется, для изготовления ее компонентов нужно заново подбирать оптимальные материалы. В том числе для катода, который сильно влияет на характеристики аккумулятора. В своем недавнем исследовании ученые из Сколтеха и МГУ предсказали, синтезировали и испытали новый катодный материал, который обеспечивает энергоемкость натрий-ионной батареи на 10–15% выше, чем с ранее доступными материалами.

«На самом деле, и наш материал, и прежний рекордсмен по энергоемкости называются одинаково: фторидофосфат натрия — ванадия. Дело в том, что оба вещества состоят из одних и тех же атомов, но соотношение между элементами разное. И кристаллическая решетка тоже», — пояснил соавтор исследования, старший преподаватель Сколтеха Станислав Федотов.

«Так называемые слоистые катодные материалы тоже уступают нашему: по энергоемкости значимого преимущества нет, но зато есть по стабильности, а это — более долгий срок службы и энергоэффективность, — продолжил Федотов. — Удивительно, но даже потолок теоретически возможных характеристик прежних материалов ниже, чем экспериментально достигнутые нами показатели с новым материалом — это существенно».

По словам ученых, по мере разработки более эффективных материалов для натрий-ионных аккумуляторов эта технология будет все лучше конкурировать с литий-ионными аналогами и сможет прежде всего заменить их в таких применениях, как источники питания электробусов и грузовиков на электроприводе, а также в системах хранения энергии на ветряных и солнечных электростанциях.

«Высокой энергоемкостью преимущества не ограничиваются. Катоды из нашего материала могут работать при сравнительно низких температурах, что, в частности, актуально для России», — добавил Федотов.

Первый автор работы, стажер-исследователь Семен Шраер из Сколтеха, рассказал о подходе научной группы к поиску материалов для аккумуляторов: «В „батареечном“ сообществе в целом больше принято искать материалы или эмпирически, то есть методом проб и ошибок, или проверяя одним махом огромный набор соединений. Наш же подход — рациональный дизайн на основе химии твердого тела: мы отталкиваемся от фундаментальных законов и принципов и стараемся прийти к материалу с желаемыми свойствами».

«Теоретические соображения подсказали нам базовую формулу материала, который мог бы обеспечить высокую энергоемкость, — продолжил Шраер. — Следующий этап — понять, какая кристаллическая структура сможет позволить полностью реализовать эту емкость. Мы выбрали решетку по образу и подобию титанил-фосфата калия, которая ранее изучалась в нелинейной оптике, но для аккумуляторных технологий нова. После того, как теоретическую часть подробно проработали и стало ясно, что это конкретное соединение с этой конкретной решеткой должно сработать, мы его синтезировали методом низкотемпературного ионного обмена, и его превосходные характеристики получили подтверждение в эксперименте».

Источник:  Пресс-служба Сколтеха

Публикации из новости

Development of vanadium-based polyanion positive electrode active materials for high-voltage sodium-based batteries
Shraer S.D., Luchinin N.D., Trussov I.A., Aksyonov D.A., Morozov A.V., Ryazantsev S.V., Iarchuk A.R., Morozova P.A., Nikitina V.A., Stevenson K.J., Antipov E.V., Abakumov A.M., Fedotov S.S.
Q1 Nature Communications 2022 цитирований: 0
Open Access
Open access