Двумерный селенид углерода — путь к созданию конкурентоспособных натрий-ионных аккумуляторов
Исследователи из Делфтского технического университета предлагают использовать двумерный селенид углерода в качестве анода для натрий-ионных аккумуляторов. Теоретическая емкость такого анода составляет 589 мАч/г при минимальном увеличении объема. Компьютерное моделирование подтвердило структурную и термическую стабильность материала, а также возможность настройки его электрохимических свойств, что делает его перспективным кандидатом для крупномасштабных систем хранения энергии, связанных с возобновляемыми источниками.
Натрий-ионная батарея China Southern Power Grid емкостью 10 МВт·ч в китайском регионе Гуанси-Чжуан. | Изображение: China Southern Power Grid Energy Storage
Группа исследователей из Делфтского технического университета (TU Delft) в Нидерландах предложила использовать двумерный селенид углерода (β-CSe) в качестве анодного материала в натрий-ионных батареях (SIB), чтобы повысить производительность и безопасность устройств.
«На материальном уровне β-CSe обладает более высокой теоретической емкостью, чем обычные графитовые аноды, и одним из самых низких барьеров для диффузии ионов среди всех двумерных материалов, что может означать более быструю зарядку», — рассказала ведущий автор исследования Талха Зафер.
«Незначительное изменение объема при циклическом использовании — 3,2 % по сравнению с 300 % для кремниевых анодов — является важным преимуществом с точки зрения долговечности и безопасности. Натрий-ионные аккумуляторы, скорее всего, не превзойдут литий-ионные по удельной энергоемкости на килограмм, но у них есть явные преимущества в стоимости, безопасности и экологичности, что делает их идеальными для стационарных накопителей, связанных с возобновляемыми источниками энергии, — именно в этой сфере влияние технологии может быть наиболее значительным». Стоит также отметить, что натрий-ионные элементы можно безопасно разряжать до 0 В для транспортировки и хранения, что является практическим преимуществом с точки зрения безопасности, которого нет у литий-ионных элементов.
«Сочетание высокой емкости, низкого объемного расширения и сверхбыстрого переноса ионов в нашем материале β-CSe делает его отличным кандидатом для использования в сетевых накопителях, где обычно важны долговечность и стоимость, — продолжил он. — Прогнозируемая нами способность к быстрой зарядке и разрядке также может помочь сбалансировать нестабильность солнечной и ветровой энергии. С практической точки зрения, если эти свойства подтвердятся в ходе экспериментов, этот тип материала может способствовать повышению доступности и масштабируемости крупномасштабных аккумуляторных систем хранения энергии, которые, как вы знаете, являются одним из ключевых препятствий для более широкого внедрения возобновляемых источников энергии».
«Наше исследование носит вычислительный характер, поэтому мы прогнозируем фундаментальный потенциал этого материала, а не сообщаем о результатах на уровне устройств, — сказал он. — Мы уверены в своих прогнозах, поскольку проверили их с помощью нескольких методов и подтвердили стабильность при температуре до 400 К. Но реальные показатели в конечном итоге будут зависеть от экспериментального синтеза и тестирования, в том числе от совместимости электрода и электролита и длительного циклирования.
«Хорошая новость заключается в том, что подобные двумерные материалы уже успешно синтезированы в лабораторных условиях, поэтому мы считаем, что синтез β-CSe вполне достижим. Наши результаты дают исследователям веский повод заняться изучением этого материала».
В статье «Термодинамические и кинетические свойства двумерного селенида углерода для эффективных натрий-ионных аккумуляторов (SIB)», опубликованной в журнале Applied Surface Science, Зафер и его коллеги рассказали, что использовали такие методы, как теория функционала плотности (ТФП), молекулярная динамика ab initio (AIMD), метод «подталкивания упругой ленты» (NEB) и анализ методом Монте-Карло с прыжками по бассейнам (BHMC), чтобы определить структурную, динамическую и термическую стабильность монослоя CSe, который можно использовать для создания анодов для натрий-ионных аккумуляторов.
Монослой был смоделирован с использованием суперячейки с вакуумом 20 А, а его термическая стабильность и обратимость электродов были оценены с помощью метода атомно-иммерсионной молекулярной динамики. Было установлено, что полностью оптимизированный двумерный монослой CSe имеет непрямую запрещенную зону шириной от 1,544 до 2,1 эВ.
Исследователи подчеркнули, что, согласно их моделированию, анизотропные механические свойства двумерного материала могут свести к минимуму объемное расширение при интеркалировании ионами натрия (Na-ионами). Атомы натрия прочно связываются с полостями на углеродной стороне, демонстрируя экзотермическую адсорбцию и равномерное распределение, что помогает предотвратить образование дендритов и решить ключевую проблему при разработке SIB.
Анализ также показал, что материал обладает высокой теоретической емкостью — 589 мАч/г при минимальном расширении кристаллической решетки, превосходя по этому показателю графит и многие двумерные аноды. «Адсорбция натрия превращает монослой в металлическое соединение, обеспечивая высокую электропроводность, а чрезвычайно низкие диффузионные барьеры способствуют быстрой подвижности ионов», — говорит Зафер.
«Механическое напряжение и внешние электрические поля позволяют регулировать электронные и адсорбционные свойства, что делает CSe весьма перспективным анодом для натрий-ионных аккумуляторов нового поколения».
«Материал обладает исключительной структурной стабильностью, что подтверждается фононными спектрами и результатами моделирования методом атомно-иммерсионной микроскопии при температурах 300 и 400 К, — заключил он. — Он обладает сверхнизкими барьерами для диффузии натрия — 0,019–0,021 эВ, что намного ниже, чем у типичных двумерных анодов, таких как MXenes и производные фосфорена».