Подробное исследование нового соединения для катода в натрий-ионных аккумуляторах провел коллектив сотрудников кафедр радиохимии и электрохимии химфака МГУ и ученых Сколковского института науки и технологий, сообщила 14 февраля пресс-служба МГУ.

Полученные в ходе исследования данные позволили ученым понять и описать механизм работы катода из материалов нового типа для производства более дешевых батарей.

Аккумуляторы, которые мы широко используем во множестве различных мобильных электронных устройств, прочно вошли во многие сферы нашей жизни. При этом их необходимо многократно и быстро заряжать для сохранения этой мобильности. Самые распространенные батареи — литий-ионные.

Их преимуществами являются высокая плотность заряда и безопасность для окружающей среды. Однако их всё более расширяющееся производство привело к истощению запасов лития в месторождениях, а его цена на рынке, соответственно, возросла, став к тому же нестабильной.

Поэтому ученые во всем мире ищут новые экономически доступные материалы для замены лития в катоде аккумуляторов. Одним из них является более дешевый натрий, который предполагается использовать для создания натрий-ионных аккумуляторов.

Материал для натриевого электрода схож по составу с литиевым, и принцип работы батареи при этом остается прежним: ионы щелочного металла, находясь сначала между плоскостями соединения со слоистым строением, в ходе зарядки батареи покидают структуру катода и движутся к аноду. При разрядке ионы возвращаются к катоду, обратно встраиваясь в межслоевое пространство.

Для изготовления катодов аккумуляторов используют смешанные соли или оксиды металлов (например, LiFePO₄ или NaFeO₂), при этом перспективнее считаются структуры с несколькими различными металлами.

Такое соединение с составом NaNi⅓Fe⅓Mn⅓O₂ и стало предметом изучения для исследовательской группы химиков МГУ и Сколтеха. Это вещество имеет хорошие электрохимические характеристики, однако установление значений емкости и плотности заряда было только частью исследования.

Один из авторов работы, ведущий научный сотрудник кафедры радиохимии химфака МГУ Игорь Пресняков рассказал:

«Когда мы обнаруживаем материал, который хорошо себя проявляет, мы задаемся вопросом — почему так происходит с точки зрения процессов внутри структуры? Когда ионы натрия покидают катод, другие металлы в соединении могут изменять свой условный заряд, чтобы сохранить электронейтральность материала. Наша задача — понять, какой из металлов в структуре первым реагирует на выход натрия из межслоевого пространства, в какой последовательности они будут изменять свои степени окисления».

Такие данные нужны исследователям не только для того, чтобы разработать новые материалы, но также решить проблемы уже существующих аккумуляторов.

Заглянуть внутрь катода химикам помог лабораторный спектрометр собственной разработки, который не уступает по техническим характеристикам синхротрону, в том числе по селективности (возможности выбрать конкретный элемент). С помощью этого спектрометра исследователи смогли выполнить для катода абсорбционную спектроскопию рентгеновского поглощения (XAS).

«В этой работе благодаря постоянному доступу к прибору нам удалось изучить цикл заряда-разряда катода в режиме operando. Мы не отключали ячейку от источника тока во время измерений. Образец находился под рентгеновским пучком около 30 часов, и это уникальный эксперимент — нигде больше в России или Европе вы не сможете провести такой длительный анализ методом XAS», — пояснил участник исследования, младший научный сотрудник кафедры радиохимии химфака Даниил Новичков.

В результате исследования на спектрометре структуры соединения NaNi⅓Fe⅓Mn⅓O₂ и использования других аналитических методов ученые сумели разобраться в том, какие изменения происходят в структуре этого соединения в процессе работы катода.

«Мы выяснили, — продолжил рассказ Игорь Пресняков, — что первым на выход натрия из структуры „реагирует“ никель, его можно назвать самым активным металлом в этом соединении. Кроме того, нам удалось узнать, почему уменьшается емкость аккумулятора с позиции структурных изменений. Поэтому одна из наших задач в будущем — найти способы предотвратить деградацию катода».

Результаты исследования были представлены авторами в статье «Конкуренция между окислительно-восстановительными процессами Ni и Fe в катодном материале O₃-NaNi⅓Fe⅓Mn⅓O₂ для натрий-ионных аккумуляторов», опубликованной в журнале Chemistry of Materials.

Исследователи намерены продолжить работу по изучению материалов, перспективных для использования в аккумуляторах новых типов. Кроме того, они взяли на вооружение метод XAS для изучения самых разных структур: от радиоактивных изотопов до органических комплексных соединений, считая что он позволит им и их коллегам, работающим в различных областях химии выйти на более высокий уровень исследований.