Разработан новый материал для натрий-ионных батарей
Российские исследователи из Сколтеха и МГУ имени М.В. Ломоносова предсказали и разработали новый материал для изготовления натрий-ионных батарей, которые являются альтернативой литий-ионным аккумуляторам. Катод, изготовленный из нового материала, стал рекордсменом по энергоемкости. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Во всех портативных электронных устройствах, в электромобилях, на электростанциях в настоящее время активно используются литий-ионные аккумуляторы. Несмотря на все плюсы этих батарей, их применение сопряжено с экономическими рисками. Так, например, за год цены на релевантные для промышленности соединения лития выросли в 5 раз. Кроме того, месторождения лития разбросаны по миру, а их разработка весьма неэкологична. В качестве альтернативы литию можно использовать элемент, который принадлежит к той же группе в Периодической таблице, — натрий. Структура натрий-ионных аккумуляторов мало отличается от литий-ионных, но для успешной реализации этой технологии нужно вновь подбирать оптимальные условия и материалы.
Российские ученые сначала теоретически предсказали, а затем получили и экспериментально проверили новый материал для натрий-ионных батарей — фторидофосфат натрия-ванадия. Ранее уже было синтезировано похожее соединение с таким же названием, но они различаются по соотношению атомов и по строению кристаллической решетки. Испытав новое соединение, ученые показали, что энергоемкость натрий-ионных батарей с таким катодом на 10-15% выше, чем при использовании других катодных материалов. Это делает фторидофосфат натрия-ванадия новым рекордсменом по энергоемкости. Кроме того, этот материал достаточно стабилен, что гарантирует большую долговечность батареи. Аккумуляторы на основе этого материала способны исправно функционировать при пониженных температурах, что в особенности актуально для нашей страны.
Натрий-ионные батареи с катодами, изготовленными из разработанного учеными материала, в будущем смогут успешно составлять конкуренцию литий-ионным аккумуляторам. Возможно, они даже смогут заменить их в ряде применений.
«В "батареечном" сообществе в целом больше принято искать материалы или эмпирически, то есть методом проб и ошибок, или проверяя одним махом огромный набор соединений. Наш же подход — рациональный дизайн на основе химии твердого тела: мы отталкиваемся от фундаментальных законов и принципов и стараемся прийти к материалу с желаемыми свойствами. Теоретические соображения подсказали нам базовую формулу материала, который мог бы обеспечить высокую энергоемкость. Следующий этап — понять, какая кристаллическая структура сможет позволить полностью реализовать эту емкость. Мы выбрали решетку по образу и подобию титанил-фосфата калия, которая ранее изучалась в нелинейной оптике, но для аккумуляторных технологий нова. После того, как теоретическую часть подробно проработали и стало ясно, что это конкретное соединение с этой конкретной решеткой должно сработать, мы его синтезировали методом низкотемпературного ионного обмена, и его превосходные характеристики получили подтверждение в эксперименте», — рассказал Семен Шраер, главный автор исследования, стажер-исследователь из Сколтеха.