Натрий-ионный анод из диоксида титана выдержал 10 000 циклов быстрой зарядки

Натрий-ионные аккумуляторы давно рассматривают как более дешёвую альтернативу литиевым, но у них есть давняя проблема: батарея либо заряжается быстро и быстро теряет ёмкость, либо служит долго, но заряжается медленно. Группа исследователей предложила решение именно для этого противоречия. Речь идёт о материале анода, который в лабораторных испытаниях показал сразу и скорость, и долговечность.

Анод собрали из нанолистов диоксида титана толщиной около 10 нм, которые объединили в полые сферы с двойной оболочкой. Каждый лист покрыли углеродным слоем с графеноподобной структурой толщиной всего 0,4 нм. Без такого покрытия те же нанолисты разрушались уже после 400 циклов. С покрытием анод выдержал 10 000 циклов зарядки за шесть минут и сохранил ёмкость 131 мА·ч/г. Даже при зарядке примерно за 30 секунд ёмкость упала лишь до 121 мА·ч/г.

Почему тонкий слой углерода продлевает жизнь батареи

По словам авторов, покрытие решает сразу две задачи. Оно ускоряет перенос электронов и связывает нанолисты, не давая им растрескиваться при быстрой зарядке. Кроме того, оно ограничивает контакт материала с электролитом, а значит, замедляет образование защитной плёнки. Эта плёнка постепенно расходует запас натрия и ухудшает работу аккумулятора, поэтому её рост сдерживают в первую очередь.

Исследователи также собрали полноценный лабораторный элемент с катодом из фосфата ванадия-натрия. Он выдержал более 170 циклов при высокой нагрузке, а электроды сохранили работоспособность даже при увеличенной массовой нагрузке. Этот параметр нередко становится слабым местом лабораторных разработок.

Исследователи из Китайской академии наук пошли другим путём и занялись натрий-серными аккумуляторами. Такие батареи считаются потенциально недорогим способом хранения энергии для крупных энергосистем, поскольку натрий и сера доступны в больших количествах. Проблема в том, что их ресурс долго оставался слишком коротким. Работу вели профессора Ван Хуэй и Чжэн Фанцай из Лаборатории сильных магнитных полей в Хэфэе.

Учёные изменили атомное окружение алюминия в катализаторе: вместо четырёх атомов кислорода вокруг каждого атома алюминия оказались три кислорода и один азот. Такая асимметричная структура изменила распределение электронов и усилила взаимодействие катализатора с соединениями серы. В результате удалось сдержать перенос растворимых полисульфидов натрия между электродами, так называемый «эффект челночного переноса», который приводит к потере активного материала. По заявлению исследователей, в тестах натрий-серный аккумулятор показал удельную ёмкость 1196 мА·ч/г после 100 циклов, а после 2500 циклов снижение составило всего 0,017% за цикл. Это, по их словам, позволяет алюминиевому катализатору конкурировать с материалами на основе гораздо более дорогих металлов.

Где новые разработки упираются в ограничения

Авторы первого исследования прямо указывают на слабое место своей технологии. Новый анод работает при более высоком среднем напряжении, чем традиционный твёрдый углерод, а это может снизить общую энергоёмкость батареи. Испытания проводили на небольших лабораторных элементах, поэтому результаты ещё нужно подтвердить на крупных ячейках, близких по конструкции к электромобильным.

Во втором случае речь тоже идёт о лабораторных данных. Технологию предстоит проверить перед серийным производством и применением в крупных системах хранения энергии. Если результаты подтвердятся в более крупных элементах, натрий-ионные и натрий-серные батареи смогут сочетать быструю зарядку с долгим сроком службы, а дешёвые материалы сделают их привлекательнее для транспорта и энергосетей.

По материалам: iXBT