Натрий-ионные батареи: новые спецификации для анодов

Потребность мира в энергохранилищах растет, и натрий-ионные батареи становятся более доступной и экологичной альтернативой литиевым. Исследование инженеров Брауновского университета проливает свет на поведение натрия в этих батареях, предлагая новые спецификации для анодных материалов, которые повышают стабильность и энергоемкость натрий-ионных аккумуляторов.

В настоящее время литий-ионные батареи доминируют на рынке перезаряжаемой электроники и электромобилей. Однако растущий спрос на хранение энергии, особенно для стабилизации энергосетей, требует дополнительных решений. Натрий-ионные батареи предлагают такую альтернативу с рядом существенных преимуществ. Натрий дешев и широко доступен, что потенциально снижает производственные затраты и потребность в разрушительных методах добычи.

Коммерциализация натрий-ионных батарей находится на начальной стадии, и исследователи продолжают совершенствовать их базовый дизайн. Один из ключевых вопросов — какой материал лучше всего подходит в качестве анода для натрий-ионных батарей, то есть той части аккумулятора, где хранятся атомы натрия во время зарядки. Аноды литий-ионных батарей обычно изготавливаются из графита, но исследования показали, что графит плохо подходит для хранения натрия. Поэтому ученые обратили внимание на «твердый углерод» — материал, получаемый путем нагрева различных углеродсодержащих веществ, от древесины до сахара.

«Если вы спросите 10 разных человек о структуре твердого углерода, вы получите 10 разных ответов», — говорит Юэ Ци, профессор Инженерной школы Брауновского университета и соавтор исследования. «Неопределенность структур является серьезной проблемой при проектировании анодных материалов из-за недостаточного понимания взаимосвязи структуры и свойств».

Ранее предполагалось, что натрий накапливается в мельчайших порах, образующихся в структурах твердого углерода. Но точный механизм этого процесса и то, как размер пор может его улучшить, оставались неизвестными.

В рамках нового исследования Линкольн Мтемери изучал материал на основе углерода, известный как цеолит-темперированный углерод (ZTC), который можно получить с четко определенной сетью нанопор. Используя ZTC в качестве модели каркаса пор твердого углерода и пользовательский алгоритм для моделирования заполнения пор, Мтемери применил вычислительный метод теории функционала плотности для исследования поведения натрия в нанопорах.

Исследование показало, что по мере того, как атомы натрия проникают в поры, они сначала выстилают стенки каждой поры ионными связями. После покрытия стенок дополнительные атомы натрия заполняют центр поры, образуя металлические скопления. Исследователи отмечают, что двойные режимы хранения натрия — ионный вдоль стенок и металлический в центрах пор — имеют решающее значение.

Смешанное ионно-металлическое состояние натрия помогает поддерживать низкое напряжение анода, что увеличивает общее напряжение батареи (общее напряжение батареи равно напряжению катода минус напряжение анода, поэтому более низкое напряжение анода является предпочтительным). В то же время ионный натрий предотвращает образование натриевых металлических отложений, что может привести к коротким замыканиям между порами анода.

«Это помогает нам определить оптимальный размер пор», — говорит Мтемери. «Мы показываем, что размер пор около одного нанометра поддерживает желаемый баланс ионности и металличности».

Результаты исследования, по словам ученых, предлагают одни из первых конкретных спецификаций для создания твердоуглеродных анодов или любых других углеродных материалов с подобной пористой структурой в лабораторных условиях. Это может способствовать будущему коммерческому применению натрий-ионных батарей.

«Натрия в 1000 раз больше, чем лития, что делает его более устойчивым вариантом», — отмечает Ци. «Теперь мы точно понимаем, какие особенности пор важны, и это позволяет нам соответствующим образом проектировать анодные материалы».