Nature Nanotechnology: Решена ключевая проблема натрий-ионных батарей

Литий-ионные батареи широко используются в электромобилях и для хранения возобновляемой энергии. Но в ближайшие 5–10 лет может возникнуть дефицит лития из-за быстрого развития рынка.

Химик Гуй-Лян Сюй из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США считает натрий-ионные батареи хорошей альтернативой литий-ионным батареям, так как натрия много и он дешевле.

На пути к массовому производству натрий-ионных батарей есть проблема: производительность катода снижается после многочисленных циклов заряда и разряда.

Халил Амин, заслуженный научный сотрудник лаборатории, считает, что есть хорошие перспективы создания натрий-ионных аккумуляторов будущего, которые будут недорогими, долговечными и сравняются по плотности энергии с литий-железо-фосфатными катодами современных литий-ионных батарей.

Специалисты из Аргонны разработали новый дизайн катода на основе ионно-оксида натрия. Это усовершенствование связано с более ранней разработкой Аргонны — литий-ионным оксидным катодом, который обладает высокой ёмкостью хранения энергии и долгим сроком службы.

Особенность обеих конструкций в том, что микроскопические частицы катода содержат смесь переходных металлов: никель, кобальт, железо или марганец. Эти металлы распределены в частицах неравномерно.

Никель находится в ядре, а кобальт и марганец образуют вокруг него оболочку. Они служат разным целям: поверхность с марганцем придаёт частице стабильность во время циклов заряда-разряда, а сердцевина с никелем позволяет накапливать много энергии.

При тестировании конструкции выяснилось, что ёмкость катода для хранения энергии снижается во время циклического режима из-за образования трещин в частицах. Это происходит из-за деформации между оболочкой и сердцевиной частиц.

Команда попыталась устранить деформацию перед циклированием путём точной настройки метода подготовки катода. Материал-предшественник для синтеза — это гидроксид, который содержит три металла: никель, кобальт и марганец. Команда создала две версии гидроксида: с металлами, распределёнными градиентом от ядра к оболочке, и с тремя металлами, равномерно распределёнными по каждой частице.

Чтобы получить конечный продукт, команда нагревала смесь материала-предшественника и гидроксида натрия до 600 °C. Поддержание температуры занимало некоторое время, после чего следовало охлаждение до комнатной температуры. Также команда экспериментировала с разными скоростями нагрева.

В процессе обработки отслеживались структурные изменения свойств частиц. Для этого анализа использовались две установки Управления по науке Министерства энергетики США: Advanced Photon Source в Аргонне и National Synchrotron Light Source II в Брукхейвенской национальной лаборатории.

Учёный Вэньцянь Сюй из Аргоннской лаборатории:

Благодаря рентгеновским пучкам на установках можно в реальном времени определять изменения в составе и структуре частиц при синтезе.

Команда также использовала Центр наноразмерных материалов (CNM) и суперкомпьютер Polaris для анализа характеристик частиц и реконструкции рентгеновских данных в подробные 3D-изображения. CNM и суперкомпьютер находятся в ведении Управления по науке Министерства энергетики США.

Первые результаты показали, что в однородных частицах нет трещин. А в градиентных они образуются при температуре до 250 градусов Цельсия. Трещины возникали в ядре и на границе ядро-оболочка, а затем распространялись на поверхность.

Причина — деформация из-за градиента металла. Вэньхуа Цзуо, аспирант Аргоннского университета, говорит: «Поскольку мы знаем, что градиентные частицы могут создавать катоды с высокой ёмкостью для хранения энергии, мы хотели найти условия термообработки, которые позволят устранить трещины».

Скорость нагрева оказалась главным фактором. Трещины возникали при скорости нагрева 5 градусов в минуту, но не при более медленном нагреве — 1 градус в минуту. Испытания в небольших ячейках с катодными частицами, которые были приготовлены при меньшей скорости, показали высокую производительность более чем в 400 циклах.

Предотвращение трещин во время синтеза катода очень важно для последующей работы батареи», — говорит Гуй-Лян Сюй.

Хотя натриево-ионные батареи пока не могут обеспечить достаточно энергии для дальних поездок на автомобиле, они хорошо подходят для городской езды.

Команда работает над тем, чтобы исключить никель из состава катода. Это позволит снизить стоимость и сделать производство более экологичным.

Халил Амин, заслуженный научный сотрудник Аргонне, говорит о перспективах создания натриево-ионных батарей будущего. Они будут обладать низкой стоимостью, длительным сроком службы и плотностью энергии, сравнимой с литий-железо-фосфатным катодом. Такие батареи используются во многих современных электромобилях.

Результаты опубликованы в издании Nature Nanotechnology.

27.09.2024