Повышение стабильности натрий-ионных аккумуляторов с помощью кальция
Аккумулятор Challenger A12-100А
Исследователи из Японии применили новую стратегию легирования кальцием для улучшения стабильности и электрохимических свойств NFM — катодного материала, используемого в натрий-ионных батареях.
Исследователи из Токийского научного университета в Японии сообщают о прорыве в области повышения стабильности натрий-ионных аккумуляторов в условиях окружающей среды с помощью новой стратегии легирования кальцием.
Натрий-ионные аккумуляторы уже давно сталкиваются с проблемой нестабильности поверхности в воздухе и воде, особенно в материалах катода. Эта нестабильность приводит к разрушению структуры, необратимым фазовым изменениям во время циклов зарядки и разрядки и ограниченной плотности энергии, что в конечном итоге снижает производительность и сокращает срок службы.
Ученые сосредоточились на повышении устойчивости к воздействию воздуха и воды соединения натрия, известного как Na₂/₃[Fe₁/₂Mn₁/₂]O₂ (NFM), которое они называют «очень перспективным составом» для использования в качестве катодного материала типа P2, обеспечивающего быстрый перенос ионов и высокую циклическую стабильность.
В рамках своего исследования учёные заменили небольшую часть ионов натрия (Na) в NFM на ионы кальция (Ca), при этом концентрация Ca не превышала 2 % от массы электрода.
Тестирование показало, что NFM с добавлением кальция обеспечивает более высокую скорость работы, чем обычный NFM, при этом сохраняя высокую разрядную ёмкость. «Самое главное, что NFM с добавлением кальция демонстрирует высокую стабильность при контакте с воздухом и водой, — отметили исследователи. — В то время как обычный NFM теряет 35 % своей разрядной ёмкости за два дня пребывания на воздухе, NFM с добавлением кальция не теряет её вовсе».
Чтобы определить источник этой улучшенной стабильности, команда использовала рентгеноструктурный анализ и просвечивающую электронную микроскопию. Они обнаружили, что спонтанная миграция кальция во время воздействия воздуха создает обогащенный Ca поверхностный слой, который предотвращает замену ионов Na ионами водорода (H) и деинтеркаляцию Na.
«Этот недавно открытый механизм, по-видимому, весьма эффективен для замедления реакций деградации поверхности в слоистых оксидах», — заявили исследователи. Они добавили, что легирование кальцием также повышает кристалличность и увеличивает расстояние между слоями в NFM. «Кроме того, защитный слой предохраняет NFM во время хранения перед сборкой батареи».
Заглядывая в будущее, команда планирует использовать стратегию допинга в сочетании с другими материалами и методами синтеза.
«Спонтанное формирование защитного слоя, наблюдаемое в ходе этой работы, может постепенно развиваться по мере необходимости, — подчеркнули они. — Кроме того, стратегия совместного легирования, при которой кальций сочетается с другими элементами, такими как медь (Cu) и титан (Ti), может ещё больше повысить устойчивость к воздействию воздуха и производительность, сохраняя при этом миграцию кальция и защиту».
Их работа была представлена в исследовании «Повышение устойчивости к воздействию воздуха за счёт легирования кальцием в Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2 катодном материале для натрий-ионных аккумуляторов», опубликованном в Journal of Materials Chemistry A.
В июле другая исследовательская группа из Токийского научного университета показала, что использование меди может устранить дефекты в батареях на основе оксида натрия и марганца, продлевая срок их службы.