НОВЫЙ КАТОД ДЛЯ НАТРИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

НОВЫЙ КАТОД ДЛЯ НАТРИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Международная группа исследователей под руководством изобретателя литий-ионного аккумулятора опубликовала работу в области создания новых источников энергии – на этот раз был разработан новый катодный материал для потенциальной замены литий-ионных аккумуляторов в ряде приложений – натрий-ионных аккумуляторов.

Распространение литий-ионных аккумуляторов и их прогресс, в первую очередь, связаны с их применением в мобильной электронике. Тем не менее, применение литий-ионных источников питания для приведения в действие больших по размеру устройств, например электромобилей, или для запасания энергии не может являться удачным инженерным решением как из-за высокой себестоимости этих устройств, так и из-за ограниченных запасов лития в земной коре. Многие исследователи надеялись заменить литий его родственником – натрием, который дешевле лития, более распространен и легче поддается химической переработке.

Неорганический катод состоит из закрепленных слоев натрия и железа, разрешающих диффузию натрия между слоями. (Рисунок из Energy Environ. Sci., 2015, DOI: 10.1039/c5ee02274f)

Натрий-ионные аккумуляторы работают по тому же принципу, что и литий-ионные. В ходе разрядки ионы натрия движутся от анода к катоду, в то время как электроны перемещаются к электроду через внешнюю электрическую схему, работу которой они и обеспечивают. На катоде электроны восстанавливают ионы натрия и образующиеся атомы интеркалируют в катодную структуру; при зарядке аккумулятора этот процесс идет в обратном направлении.

Как отмечает один из авторов нового исследования Притам Сингх (Preetam Singh) из Университета Техаса в Остине, проблема натрий-ионного источника питания связана с размером ионов натрия, которые не позволяют просто применить технологию литий-ионных батарей для натрий-ионных простой заменой лития на натрий в химической структуре катода и электролите. Дело в том, что прочность взаимодействий натрий-натрий выше, чем литий-литий, и простая замена одного щелочного металла на другой приведет к устройству, производительность которого будет крайне низка.

Сингх представляет собой одного из материаловедов – членов группы Джона Гуденафа (John Goodenough), изобретателя литий-ионного аккумулятора. В новой работе Гуденаф и коллеги сообщают о применении минерала эльдфеллита [eldfellite (NaFe(SO₄)₂)] как потенциального материала для создания натрий-ионного катода, состоящего из слоев ионов Na⁺и Fe³⁺, разделенных сульфатными полиэдрами. Фиксированное расстояние между слоями способствует диффузии ионов натрия, которая обеспечивает проявление материалом 80% от его теоретически оцененной максимальной емкости (заряда, накопляемого на один грамм материала).

Как отмечает Синичи Комаба (Shinichi Komaba), эксперт по материалам для аккумуляторов из Токийского Университета науки, новый материал уникален в плане его коммерческого применения для изготовления натрий-ионных аккумуляторов. Наиболее интересно то, что новый материал работает как материал для электрода источников питания, способных создавать напряжение 4 Вольта, как для натриевых, так и для литиевых источников питания. Он надеется, что в скором времени будут обнаружены и другие такие такие материалы, обеспечивающие работу и натрий-ионных, и литий-ионных электрохимических устройств.

Источник: Energy Environ. Sci., 2015, DOI: 10.1039/c5ee02274f