Ученые из Сколтеха и МГУ определили процессы, лежащие в основе работы анодного материала для нового перспективного класса химических источников тока – натрий-ионных аккумуляторов (НИА). Полученные данные, в совокупности с разработанным этой же группой способом получения анодов, позволят приблизить коммерциализацию НИА в России и мире. Исследование опубликовано в журнале Electrochimica Acta.
Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) – наиболее востребованный на сегодняшний день химический источник тока. Их сфера применения крайне обширна – от мобильных телефонов (несколько ватт-часов) до буферных систем электростанций (миллионы ватт-часов). Потребность в ЛИА и средний размер накопителей постоянно растет, но этот тренд сталкивается с определенными проблемами - дороговизна литиевых солей, ограниченность его мировых запасов, неоднородность распределения литий-содержащих полезных ископаемых по странам. Для преодоления этих трудностей ученые всего мира, в том числе и в России, создают альтернативную технологию – натрий-ионные аккумуляторы (НИА), которая сможет потеснить не только ЛИА, но и все еще активно используемые свинец-кислотные аккумуляторы.
Натрий – шестой по распространенности в земной коре элемент, его соли стоят примерно на два порядка ниже солей лития. По своим химическим свойствам он близок к литию, но имеющиеся различия обуславливают необходимость разработки новых подходов для создания НИА. Основные компоненты аккумулятора – катод, анод и электролит. Существует целый ряд составов и структур, перспективных для катодных материалов; то же касается и электролита. Основная на сегодняшний день проблема НИА – анод. Если в ЛИА успешно применяют графит, то для НИА он не подходит – из-за несоответствия размеров углеродных шестиугольников и катиона натрия интеркаляции не происходит. Фактически есть только один материал, способный применяться на практике – так называемый «твердый углерод», или hard carbon. Он представляет собой разупорядоченное формирование из изогнутых графитоподобных слоев и способен запасать количество натрия, сопоставимое с графитом в литиевой системе. А вот как именно это происходит – до сих пор доподлинно неизвестно.
«Существует целый ряд гипотез о возможных механизмах внедрения натрия в hard carbon, – говорит руководитель работы, старший научный сотрудник Центра энергетических наук и технологий Сколтеха и МГУ Олег Дрожжин, – мы в своей работе доказали правомерность одной из них, дополнительно слегка ее расширив. Мы обнаружили, что основной заряд «твердый углерод» набирает по интеркаляционному механизму, и это отличная новость. Интеркаляция – это то, что нужно аккумулятору, а поверхностные процессы, связанный с «псевдоемкостью» – это удел суперконденсаторов, то есть очень узкой ниши химических источников тока. Забавно, что наш японский коллега, у которого проходила стажировку главный исполнитель этой работы – аспирантка МГУ Зоя Бобылева – придерживался поначалу совсем другой теории. Он является чуть ли не главным специалистом в мире по НИА и «твердому углероду», и убедить его в нашей правоте было непросто. Но мы это сделали»
В прошлом году Нобелевскую премию по химии получили трое ученых, чьи работы заложили основу для ЛИА. Одна из этих премий получена благодаря «твердому углероду» – именно после открытия этого анода технология ЛИА обрела свою жизнь. Впоследствии «твердый углерод» в ЛИА был заменен на графит. Теперь, спустя три десятилетия, «твердый углерод» снова сможет оказаться родоначальником новой технологии.
«Эта работа примечательна не только выяснением механизма работы «твердого углерода» в натрий-ионной системе, – комментирует профессор Сколтеха и заведующий кафедрой электрохимии на Химическом факультете МГУ Евгений Антипов, – но и тем, что мы научились делать «твердый углерод» с емкостью более 300 мАч/г – то есть он уже не уступает графиту в ЛИА. Понятно, что кропотливая работа по разработке и оптимизации методики обычно остается «за кадром», о ней редко пишут в такого рода статьях, поэтому нам важно показать результат: мы научились делать хорошие анодные материалы для НИА и мы понимаем, как они работают».
Работа была выполнена при участии ученых из Токийского университета науки и Университета г. Страсбург и при финансовой поддержке Российского научного фонда.
