Исследование: добавление меди повышает стабильность марганцевых катодов для натрий-ионных аккумуляторов
Аккумулятор FIAMM 12FGL100
Исследователи из Токийского научного университета показали, что использование меди может устранить дефекты в натрий-марганцевых оксидных батареях, продлив срок их службы.
Исследователи из Токийского научного университета обнаружили, что добавление меди в материал катода натрий-ионного аккумулятора повышает его стабильность и, следовательно, продлевает срок службы. В исследовании, опубликованном в Advanced Materials, демонстрируется метод устранения ключевого дефекта в β-оксиде марганца натрия (β−NaMnO2), перспективной недорогой альтернативе материалам на основе лития.
Материал NaMn существует в двух основных кристаллических формах: α-фаза и β-фаза. Хотя β-фаза представляет особый интерес, в процессе её синтеза часто возникают структурные дефекты, известные как дислокации в сверхструктуре (ДС). Эти дефекты представляют собой микроскопические смещения в атомных слоях материала, которые создают нежелательные структуры внутри катода. Эта структурная проблема сохраняется и активно приводит к быстрому снижению ёмкости аккумулятора во время циклов зарядки и разрядки, что затрудняет его практическое использование.
Исследовательская группа под руководством профессора Шиничи Комабы систематически создавала и тестировала образцы оксида марганца-натрия с разным уровнем легирования медью. Команда из Токио синтезировала несколько образцов с разным количеством меди и обнаружила, что легированная на 12 % версия NaMn0.88Cu0.12O2 снижает концентрацию дефектов упаковки до незначительных 0,3 %. В ходе последующих электрохимических испытаний этот оптимизированный материал продемонстрировал превосходную стабильность, не теряя ёмкости в течение более чем 150 циклов. Для сравнения: нелегированный материал вышел из строя менее чем за 30 циклов.
Эта работа, по-видимому, решает давнюю проблему стабильности и может привести к созданию более долговечных натрий-ионных аккумуляторов. В то же время эта более стабильная структура дала возможность изучить внутреннюю механику материала и выявить ранее скрытый фазовый переход, связанный с резким скольжением внутренних слоёв во время работы.
Потенциал использования таких распространённых и недорогих материалов, как натрий и марганец, для хранения энергии высок. Результаты лабораторных исследований помогают в решении одной из ключевых проблем, связанных с этими типами аккумуляторов, хотя остаются и другие задачи: необходимо доказать, что метод легирования медью жизнеспособен и экономически эффективен для крупномасштабного коммерческого производства, а также подтвердить его долгосрочную эффективность в реальных условиях.