Исследователи обнаружили, что натрий-ионные аккумуляторы с твёрдыми углеродными анодами заряжаются быстрее

Аккумулятор FIAMM 12FGHL28

Исследователи из Токийского научного университета показали, что натрий-ионные аккумуляторы с твёрдоуглеродными анодами могут заряжаться быстрее, чем литий-ионные аккумуляторы, благодаря использованию метода разбавленного электрода, который показывает, что внедрение натрия происходит быстрее, чем внедрение лития.

Батарея натрий-ионных аккумуляторов

Исследователи из Токийского научного университета (TUS) обнаружили, что натриево-ионные аккумуляторы (SIB) с твёрдоуглеродными (HC) анодами заряжаются быстрее, чем литий-ионные аккумуляторы (LIB), что опровергает устоявшиеся представления в области исследований аккумуляторов.

Команда стремилась решить проблему, связанную с тем, что при обычном тестировании аккумуляторов истинная скорость зарядки HC обычно недооценивается из-за проблем с перенапряжением при концентрации в составном электроде.

Во время быстрой зарядки плотная композитная структура электрода может приводить к «заторам ионного движения», когда перенос ионов в электролите ограничивает скорость реакции. Из-за этого неясно, какова предельная скорость зарядки HC, а также как соотносится скорость внедрения натрия со скоростью внедрения лития.

Опубликованные результаты в Chemical Science под названием “Выявление кинетических пределов натрирования и литирования твердого углерода с использованием метода разбавленных электродов” описывают количественное сравнение исследовательской группой TUS кинетики введения натрия и лития без ограничений переноса электролита с использованием метода разбавленных электродов (DEM).

Метод DEM был разработан профессором Кинго Ариоши из Университета Метрополитен в Осаке. В ходе его исследования было обнаружено, что активный углеродный порошок на отрицательном электроде был частично заменён электрохимически неактивным порошком оксида алюминия.

Было обнаружено, что процесс содиализации протекает быстрее, чем литизация, при использовании одного и того же твёрдого углеродного отрицательного электрода. Определяющим скорость этапом является механизм заполнения пор, при котором натрию требуется меньше энергии, чем литию, для образования псевдометаллических кластеров в нанопорах твёрдого углерода.

Этот низкокристаллический пористый углерод может накапливать большое количество натрия, что позволяет SIB достигать плотности энергии, сопоставимой с плотностью энергии коммерческих LIB.

На этих изображениях изображены электроды с различным соотношением твердого углерода (красный) и Al2O3 (зеленый), последний из которых электрохимически инертен. Используя более разбавленные версии электрода, можно избежать определенных явлений, ограничивающих скорость, что позволяет ученым более точно измерять кинетику ионов в твердом углероде.

Профессор кафедры прикладной химии Токийского университета доктор Шиничи Комаба заявил, что полученные результаты количественно демонстрируют, что скорость зарядки SIB с использованием анода из гидрида углерода может быть выше, чем у LIB.

«Ключевым моментом в разработке улучшенных углеродных материалов для быстрозаряжаемых твердотельных накопителей является ускорение процесса заполнения пор, чтобы можно было использовать их при высокой скорости зарядки», — сказал Комаба.

Вместе с аспиранткой третьего года обучения Юки Фуджи и доцентом кафедры прикладной химии Закари Т. Госсейджем команда разработала метод разбавленного электрода, который предполагает создание электрода, сочетающего в себе частицы ГХ и электрохимически неактивный материал, например оксид алюминия.

При правильном соотношении каждая частица гидрокарбоната окружена достаточным количеством ионов, что устраняет типичные проблемы с переносом ионов в электролите и на отрицательном электроде.

Используя этот подход, исследователи смогли эффективно измерить и сравнить максимальные скорости содиализации (встраивания натрия), интеркаляции лития и литизации (встраивания лития) в гексагональную кристаллическую решётку.

Кроме того, насыщение содой разбавленного угольного электрода показало сопоставимую скорость с интеркаляцией лития на разбавленных графитовых электродах.

«Наши результаты предоставили чёткие и количественные доказательства высокой скорости зарядки HC. Проведя детальное тестирование и анализ с помощью циклической вольтамперометрии, электрохимической импедансной спектрометрии и потенциостатической хроноамперометрии, команда обнаружила, что процесс содиализации по своей сути быстрее, чем процесс литизации для того же отрицательного электрода», — сказал Комаба.

«Это было подтверждено расчётом коэффициента диффузии — показателя скорости перемещения ионов в материале, — который для натрия был в целом выше, чем для лития».

Комаба добавил, что результаты количественно демонстрируют, что скорость зарядки SIB с использованием анода HC может быть выше, чем у LIB.

Этап определения скорости

Кроме того, команда учёных точно определила, что определяющим этапом всего процесса зарядки является механизм заполнения пор, который происходит, когда ионы объединяются в псевдометаллические кластеры внутри нанопор углеродного композита.

Хотя было установлено, что начальная стадия зарядки (адсорбция/интеркаляция) для обоих ионов происходит очень быстро, скорость всей реакции в конечном счёте ограничивается эффективностью процесса заполнения пор.

Детальный химико-кинетический анализ показал, что для образования этих кластеров натрию требуется меньше энергии, чем литию, что помогает объяснить наблюдаемые преимущества в скорости. Выявив это узкое место, авторы исследования указали направление для разработки более быстрых и энергоэффективных аккумуляторов.

Комаба сказал, что ключевым моментом в разработке улучшенных углеродных материалов для быстрозаряжаемых твердотельных накопителей является ускорение процесса заполнения пор, чтобы можно было использовать их при высокой скорости зарядки.

«Кроме того, наши результаты показывают, что внедрение натрия менее чувствительно к температуре, поскольку требует меньшей энергии активации, чем внедрение лития».

Команда приходит к выводу, что их результаты показывают, что SIBs являются более дешевой и безопасной альтернативой LIB, которые обеспечивают преимущества в скорости зарядки и могут обеспечить более стабильную работу, чем LIB.