MOF-покрытие: новый шаг к стабильности натриевых батарей

В последние годы инженеры активно работают над созданием надежных аккумуляторов с повышенной энергоемкостью, способных дольше поддерживать работу электронных устройств. Среди перспективных разработок особое место занимают твердотельные батареи, в которых жидкий электролит заменен твердым.

По сравнению с традиционными батареями с жидкими электролитами, твердотельные аналоги обладают потенциалом более высокой плотности энергии и продолжительным сроком службы. Однако многие из них страдают от нестабильности, вызванной нежелательными химическими реакциями между высокоэнергетическими катодами (положительными электродами) и твердыми электролитами. Эти реакции ускоряют деградацию аккумулятора.

Особенно подвержены таким побочным реакциям натрий-ионные (Na+) твердотельные батареи, использующие ионы Na+ для хранения и высвобождения энергии. Привлекательность натрия заключается в его распространенности и низкой стоимости по сравнению с литием. Однако натрий-ионные батареи по своей природе более химически активны, чем литий-ионные.

Исследователи из Китайской академии наук предложили многообещающий метод повышения долговечности и производительности твердотельных натриевых батарей. Стратегия, описанная в журнале Nature Energy, направлена на минимизацию побочных реакций между катодами и твердыми электролитами путем формирования плотного слоя металл-органического каркаса (MOF) на поверхности высокоэнергетических катодов. Это предотвращает нежелательное взаимодействие с электролитом.

«Побочные реакции между высокоэнергетическими катодами и электролитами остаются критическим препятствием на пути развития твердотельных батарей, особенно для систем на основе натрия, из-за более высокого потенциала Na+/Na», — отмечают авторы исследования. «Несмотря на недавние активные усилия, достижение длительного срока службы при напряжении отсечки 4,2 В (по отношению к Na+/Na) все еще является сложной задачей. Мы разработали процесс изоэпистаксиального роста при комнатной температуре для получения относительно однородного и плотного эпислоя металл-органического каркаса на поверхностях Na₃V₂O₂(PO₄)₂F».

Для оценки эффективности своего подхода исследователи нанесли однородное MOF-покрытие на катоды Na₃V₂O₂(PO₄)₂F с использованием процесса изоэпистаксиального роста при комнатной температуре. Затем была собрана твердотельная батарея, в которой этот покрытый электрод был соединен с твердым электролитом на основе полимера — полиэтиленоксида.

«Несмотря на использование полиэтиленоксида, типичного твердого полимерного электролита на основе эфиров, катод с изоэпистаксиальным слоем демонстрирует улучшенные характеристики цикла при напряжении отсечки 4,2 В (сохраняя до 77,9% начальной емкости после 1500 циклов)», — пишут авторы. «Комбинируя экспериментальные измерения и теоретический анализ, мы четко определили ключевой фактор, определяющий поведение изоэпистаксиального роста. Кроме того, мы разработали самодельный высокочувствительный метод характеризации, линейную вольтамперометрию in situ в сочетании с газовой хроматографией-масс-спектрометрией, чтобы выяснить механизм отказа полиэтиленоксида на поверхностях Na₃V₂O₂(PO₄)₂F и выявить превосходную электрохимическую стабильность изоэпистаксиального слоя».

Первоначальные испытания показали, что твердотельные батареи на основе разработанного командой покрытия демонстрируют выдающиеся результаты, значительно сокращая количество побочных реакций между катодом и электролитом. Важно отметить, что примененная стратегия может быть адаптирована и для других катодов и аккумуляторов с различными составами.

Данное исследование может послужить вдохновением для других ученых, которые смогут использовать аналогичные подходы для стабилизации других натрий-ионных твердотельных батарей. Разработанный метод изоэпистаксиального роста в будущем способен внести существенный вклад в широкомасштабное внедрение долговечных и надежных твердотельных аккумуляторов с высокой энергоемкостью.