Новые технические требования к натрий-ионным аккумуляторам

Аккумулятор Challenger A12-120

Американские учёные использовали теорию функционала плотности, чтобы выяснить, как ионы натрия хранятся в нанопористых углеродных анодах для натрий-ионных аккумуляторов. Они выявили в порах двойные ионные и металлические механизмы хранения. Их выводы содержат практические рекомендации по улучшению напряжения, безопасности и коммерческой жизнеспособности аккумуляторов для стационарного хранения энергии.

Исследователи из Брауновского университета в США изучили поведение натриевых соединений в углеродных материалах, используемых в натрий-ионных батареях, с целью повысить их коммерческую привлекательность для стационарных систем хранения возобновляемой энергии.

«Наша работа содержит рекомендации по синтезу анодных материалов, которые обеспечивают максимальную производительность аккумуляторов, — сказал ведущий автор исследования Линкольн Мтемери. — Наши результаты представляют собой одни из первых конкретных технических требований к производству твёрдых углеродных анодов — или других углеродных материалов с аналогичной пористой структурой — в лабораторных условиях. Это может помочь проложить путь к коммерческому использованию натрий-ионных аккумуляторов в будущем».

Исследователи объяснили, что твёрдый углерод считается перспективным анодным материалом для натрий-ионных аккумуляторов благодаря уникальному сочетанию структуры, химических и транспортных свойств. Его неупорядоченная, пористая и проводящая структура обеспечивает эффективное хранение ионов, быстрый перенос заряда и долговременную электрохимическую стабильность. Однако команда отметила, что механизм натриевой проводимости в твёрдом углероде остаётся малоизученным из-за сложности его структуры. Недостаток знаний в этой области также ограничивает разработку теоретических моделей, способных точно определять напряжение разомкнутой цепи материала.

В исследовании «Структурные дескрипторы, определяющие механизм заполнения пор в твёрдом углеродном электроде при содировании», опубликованном в ESS Batteries, исследователи изучили углерод, полученный методом золь-гель (ZTC). ZTC — это нанопористый углеродный материал, синтезированный с использованием цеолитов в качестве твёрдых шаблонов, что позволяет точно контролировать размер пор и чётко определять пути диффузии ионов.

Для анализа поведения натрия в нанопорах команда использовала теорию функционала плотности (ТФП) — квантово-механический вычислительный метод, применяемый для расчёта электронной структуры атомов, молекул и твёрдых тел. Моделирование показало, что при попадании в поры атомы натрия сначала связываются со стенками пор за счёт ионных взаимодействий. Когда поверхность пор полностью заполняется, в их центре накапливается дополнительный натрий, образуя металлические кластеры.

Исследователи обнаружили, что два механизма накопления натрия — ионная адсорбция на стенках пор и агрегация металла в центре пор — играют ключевую роль в работе аккумулятора. Сосуществование ионного и металлического натрия помогает поддерживать низкий анодный потенциал, что увеличивает общее напряжение аккумулятора, поскольку напряжение элемента определяется как разность между катодным и анодным потенциалами. В то же время ионный натрий препятствует образованию металлического натриевого покрытия, которое в противном случае могло бы привести к короткому замыканию между соседними порами.

«Это помогает нам определить оптимальный размер пор, — сказал Мтемери. — Мы показали, что размер пор около одного нанометра обеспечивает желаемый баланс между ионностью и металличностью».

Забегая вперёд, исследователи отметили, что разработанные в ходе исследования дескрипторы, в том числе размер пор, удельный объём и топология углерода, могут служить практическими рекомендациями по оптимизации углеродных электродов в натрий-ионных батареях.

«Натрия в 1000 раз больше, чем лития, что делает его более экологичным вариантом, — говорит соавтор исследования Юэ Ци. — Теперь мы точно знаем, какие характеристики пор важны, и это позволяет нам разрабатывать соответствующие анодные материалы».