Учеными из Сколтеха и МГУ разработан новый материал для альтернативных, натрий-ионных аккумуляторов. Он представляет собой порошок фторидофосфата натрия - ванадия с особой кристаллической решеткой. Согласно 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
Статья опубликована в в одном из номеров журнале Nature Communications.
Литий-ионные аккумуляторы используются в настоящее время 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 использование расположенного на одну клетку ниже в таблице химических элементов Д.И. Менделеева и более распространенного щелочного металла - натрий.
Создание натрий-ионного аккумулятора - сравнительно новая технология. Хотя базовая архитектура батареи не меняется, для изготовления ее компонентов нужно заново подбирать оптимальные конструкционные материалы.
В том числе и для катода, который сильно влияет на общие технические характеристики всего 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 процентов выше, чем с ранее доступными материалами.
«На самом деле, и новый 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 составными элементамив них - разное.
И кристаллическая решетка тоже различная», - пояснил соавтор исследования, старший преподаватель Сколтеха Станислав Федотов.
«Так называемые слоистые катодные материалы тоже уступают новому материалу: по энергоемкости значимого преимущества нет, но зато есть такое преимущество по стабильности, а это свойство - залог более долгого срока службы и повышенной энергоэффективности, - продолжил г-н Федотов.
- Удивительно, но даже потолок теоретически возможных характеристик прежних материалов ниже, чем экспериментально достигнутые показатели с новым материалом - это существенно».
По словам ученых, по мере разработки более эффективных материалов для натрий-ионных аккумуляторов эта технология будет все сильнее конкурировать с привычными 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 нового материала могут работать при сравнительно низких температурах, что, в частности, весьма актуально для России», - добавил Станислав Федотов.
Первый автор работы, стажер-исследователь Семен Шраер из Сколтеха, рассказал о подходе научной группы к поиску материалов для аккумуляторов:
- «В профессиональном "батареечном" сообществе,, в целом более принято искать материалы или эмпирически, то есть методом проб и ошибок, или проверяя одним махом огромный набор соединений. Выбранный новый подход - это использование рационального дизайна на основе химии твердого тела: исходя из фундаментальных законов и принципов».
«Теоретические соображения подсказали общую базовую формулу нового материала, который мог бы обеспечить высокую энергоемкость, - продолжил г-н Шраер.
- Следующий этап - выбор такой кристаллической структуры материала, которая позволит полностью реализовать повышенную энергоёмкость. В ходе исследований был сделан выбор структуры решетки по образу и подобию вещества - титанил-фосфата калия, которая ранее изучалась в нелинейной оптике, но для аккумуляторных технологий еще нова.
После того, как теоретическую часть подробно проработали и стало ясно, что данное конкретное соединение с таким конкретным типом решетки должно сработать, был произведен синтез нового материала методом низкотемпературного ионного обмена.
Превосходные теоретические характеристики нового материала получили свое подтверждение в ходе проведенных экспериментальных проверок».
