Российские ученые подробно исследовали новое соединение для катода в натрий-ионных аккумуляторах. Полученные данные позволяют описать механизм работы катода и создать материалы для нового типа более дешевых и доступных батарей. Исследование опубликовано в журнале Chemistry of Materials, сообщает пресс-служба МГУ имени М. В. Ломоносова.
Сегодня мы не можем представить свою жизнь без портативных электронных устройств. В каждом из них есть аккумулятор, который необходимо многократно и быстро заряжать, чтобы сохранять их мобильность. Самый популярный тип батарей — литий-ионные. Высокая плотность заряда и безопасность для окружающей среды — безусловные преимущества этих аккумуляторов. Однако количество лития для производства ограничено запасами месторождений, а его цена на рынке металлов нестабильна. Поэтому ученые ищут новые экономически доступные материалы. Одно из решений — замена лития на более дешевый натрий в материале катода и создание натрий-ионных аккумуляторов. Принцип работы батареи при этом не меняется: ионы щелочного металла изначально находятся между плоскостями соединения со слоистым строением, а в процессе заряда батареи покидают структуру и движутся к аноду; при разрядке батареи ионы возвращаются к катоду и встраиваются обратно в межслоевое пространство. Материал для натриевого электрода схож по составу с литиевым. Как правило, для изготовления катодов используют смешанные соли или оксиды металлов (например, LiFePO4 или NaFeO2), однако наиболее перспективными считаются структуры с несколькими различными металлами. Одно из таких соединений, обладающее составом NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2, изучила исследовательская группа МГУ и Сколтеха.
Материал обладает хорошими электрохимическими характеристиками, однако измерение емкости и плотности заряда — только начало. «Когда мы обнаруживаем материал, который хорошо себя проявляет, мы задаемся вопросом — почему так происходит с точки зрения процессов внутри структуры? Когда ионы натрия покидают катод, другие металлы в соединении могут изменять свой условный заряд, чтобы сохранить электронейтральность материала. Наша задача — понять, какой из металлов в структуре первым реагирует на выход натрия из межслоевого пространства, в какой последовательности они будут изменять свои степени окисления. Эти данные помогут нам не только разработать новые материалы, но и решить проблемы уже существующих аккумуляторов», — рассказал Игорь Пресняков, ведущий научный сотрудник кафедры радиохимии химического факультета МГУ.
Чтобы заглянуть внутрь катода, химики использовали несколько различных методов. Среди преимуществ всех приборов особенно важна их селективность, возможность выбрать конкретный элемент (например, атомы никеля) и наблюдать только за его изменениями степени окисления или химического окружения. Один из методов — абсорбционная спектроскопия рентгеновского поглощения (XAS). Обычно XAS реализуется на крупных установках мегасайенс — синхротронах. Однако на кафедре радиохимии химического факультета МГУ ученые смогли создать лабораторный спектрометр, который не уступает им по техническим характеристикам. «Очень часто попасть на синхротрон невозможно из-за большого количества желающих. Кроме того, время анализа на таких установках ограничено, поэтому круг исследований сужается. В этой работе благодаря постоянному доступу к прибору нам удалось изучить цикл заряда-разряда катода в режиме operando. Мы не отключали ячейку от источника тока во время измерений. Образец находился под рентгеновским пучком около 30 часов, и это уникальный эксперимент — нигде больше в России или Европе вы не сможете провести такой длительный анализ методом XAS», — рассказал Даниил Новичков, младший научный сотрудник кафедры радиохимии химического факультета МГУ.
Результаты исследования NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2 с помощью этого прибора в сочетании с другими аналитическими методами помогли ученым понять, какие изменения происходят в структуре соединения в процессе работы катода. «Мы выяснили, что первым на выход натрия из структуры “реагирует” никель, его можно назвать самым активным металлом в этом соединении. Кроме того, нам удалось узнать, почему уменьшается емкость аккумулятора с позиции структурных изменений. Поэтому одна из наших задач в будущем — найти способы предотвратить деградацию катода», — сообщил Игорь Пресняков.
Авторы работы планируют продолжать исследования в области материалов для аккумуляторов новых типов. Кроме того, уже сейчас они применяют XAS для изучения самых разных объектов: от радиоактивных изотопов до органических комплексных соединений. По мнению ученых, этот метод позволит им и коллегам из разных областей химии выйти на новый уровень исследований.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
