Самые быстрые в мире суперкомпьютеры изучают перспективы натрий-ионных аккумуляторов

Аккумулятор FIAMM FG 20722

Японские исследователи с помощью суперкомпьютерного моделирования выяснили, как ионы натрия образуют кластеры и перемещаются внутри углеродных анодов, а также определили размеры нанопор и переходные области, которые влияют на диффузию и скорость работы натрий-ионных аккумуляторов. Полученные результаты дают рекомендации по оптимизации углеродных анодов для повышения удельной энергоемкости, увеличения количества циклов и улучшения перспектив коммерциализации.

Ученые из Токийского научного института (Science Tokyo) в Японии с помощью суперкомпьютерного моделирования изучили физические свойства анодов из твердого углерода (hard carbon, HC) в натрий-ионных батареях (NIB).

Графен является ключевым компонентом современных натрий-ионных аккумуляторов, которые в последние годы привлекают к себе все больше внимания из-за обилия натрия. По мере того как эти аккумуляторы приближаются к стадии коммерциализации, исследователи пытаются объяснить, как ионы натрия образуют кластеры в порах графена при рабочих температурах и почему их общая подвижность остается низкой.

«Я считаю, что мы — первая группа ученых, продемонстрировавшая образование кластеров натрия (Na) в нанопорах твердого углерода. Мы также впервые проанализировали и визуализировали на атомном уровне диффузионное ограничение для ионов натрия в твердом углероде, — рассказал автор исследования Че-ан Лин. — Мы показали, что ионы натрия обладают очень высокой диффузионной способностью в большинстве областей твердого углерода, и именно переходные области между большими и узкими межслойными расстояниями в графене препятствуют диффузии ионов натрия. Это значит, что если мы сможем еще больше оптимизировать структуру твердого углерода, то сможем значительно повысить его скоростные характеристики.

Лин добавил, что плотность энергии — самое важное препятствие, которое ученым предстоит преодолеть, прежде чем натриево-ионные аккумуляторы получат широкое распространение. «Некоторые компании уже наладили или планируют наладить массовое производство натриево-ионных аккумуляторов и продавать их. Большинство коммерческих натриево-ионных аккумуляторов ориентированы на быструю зарядку/разрядку и широкий диапазон рабочих температур, что является довольно сложной задачей для литий-ионных аккумуляторов. Поэтому натриево-ионные аккумуляторы, дополняющие литий-ионные, демонстрируют многообещающие результаты», — сказал он.

Ёситака Татеяма, возглавлявший исследовательскую группу, в своем заявлении отметил, что «в конечном счете широкое внедрение натрий-ионных аккумуляторов увеличит общее количество аккумуляторов в обществе, способствуя достижению углеродной нейтральности в будущем. Благодаря нашим новым открытиям наше исследование дает более четкие рекомендации по разработке материалов на основе гидрида углерода, способных эффективно накапливать натрий, тем самым способствуя созданию более совершенных натрий-ионных аккумуляторов».

Команда Татеямы провела исследование с использованием нескольких высокопроизводительных суперкомпьютеров, в том числе Fugaku, одного из десяти самых быстрых компьютеров в мире. На этих компьютерах они провели высокоточное моделирование молекулярной динамики на основе теории функционала плотности (DFT-MD), изучая различные варианты расположения ионов натрия и графеновых листов.

Моделирование показало, что ионы натрия в нанопорах быстро переходят из двумерного адсорбционного состояния в трехмерное квазиметаллическое кластерное состояние. Основываясь на этом открытии, ученые теоретически определили оптимальный диаметр нанопоры для стабильного хранения натрия — примерно 1,5 нм.

«Основываясь на полученных результатах, мы можем дать некоторые рекомендации по разработке углеродных анодов с высокой предельной емкостью и хорошей кинетикой циклирования, — пишут исследователи в своей статье. — Чтобы добиться высокой предельной емкости, необходимо тщательно контролировать размер и долю пор. Мы показали, что оптимальный размер пор составляет 1,5 нм, а поры меньшего или большего размера могут привести к образованию нестабильного кластера натрия. Небольшой диапазон распределения пор по размерам со средним размером пор ≈1,5 нм должен обеспечить высокую предельную емкость».

Кроме того, моделирование показало, что некоторые ионы натрия, адсорбированные на дефектах, не только не способствуют образованию центров нуклеации, но и препятствуют формированию кластеров натрия, уменьшая взаимодействие между натрием и углеродом и сокращая доступное пространство для последующих ионов натрия в нанопорах графена. Кроме того, было показано, что, хотя ионы натрия демонстрируют локально высокую диффузию в хорошо связанных участках графена, области разветвления или соединения являются серьёзными препятствиями для миграции ионов. «Эти более узкие переходные области забиваются ионами натрия до тех пор, пока не накопится достаточно отталкивающей силы, чтобы устранить засор. Это приводит к замедлению процесса, что и объясняет низкую скорость работы материала», — пояснили они.

Результаты исследования были представлены в статье «Выявление доминирующих процессов формирования кластеров натрия и диффузии ионов натрия в нанопорах твердого углерода: исследование методом молекулярной динамики в рамках теории функционала плотности», опубликованной в журнале Advanced Energy Materials.