Исследование, которое позволит создать энергоемкие натрий-ионные аккумуляторы на замену более дорогим литий-ионным, выполнил коллектив ученых, в который вошли специалисты Института неорганической химии им. А. В. Николаева (ИНХ) СО РАН, 5 июля сообщает портал «Научная Россия» со ссылкой на пресс-службу Минобрнауки России.

Ученые в своей работе исследовали использование углеродных нанохорнов — полых углеродных нанокапсул с коническими крышками, в качестве материала для анода в натрий-ионных аккумуляторах.

Результаты своей работы исследователи обнародовали в статье «Бромирование углеродных нанохорнов для улучшения характеристик хранения ионов натрия», опубликованной в журнале Applied Surface Science.

Учеными в процессе экспериментов было установлено, что электронное состояние углеродных нанохорнов можно модифицировать электроотрицательным бромом. Такие бромированные углеродные нанохорны способны хранить на 20% натрия больше, чем исходные, что делает их перспективными для создания натрий-ионных аккумуляторов.

Широко применяемые в быту и не только портативные электроустройства создают устойчивый и всё возрастающий спрос на электрохимические накопители энергии. В настоящее время наиболее популярными являются литий-ионные аккумуляторы (ЛИА), что привело к истощению запасов лития на планете.

«Достойных» альтернатив по времени жизни (больше 3000–10000 циклов заряда-разряда) и плотности энергии (около 265 Втч/кг) этим аккумуляторам пока нет.

Наиболее перспективными, в том числе по дешевизне, являются натрий-ионные аккумуляторы (НИА), которые имеют высокую скорость зарядки, сохраняют на 90% больше емкости при низких температурах (что актуально для России), являются более безопасными, а также совместимы с устройствами, работающими на ЛИА с питанием 3,7 В.

В процессе заряда аккумулятора натрий (как литий в ЛИА) выходит из катодного материала и внедряется в материал анода. При разряде ионы натрия будут покидать анод с генерацией электронов, создавая ток для питания внешнего устройства. Однако, если в ЛИА традиционно в качестве анода использовался графит, то в НИА его использование невозможно.

Большой ионный радиус натрия (1,02 Å) не позволяет ему проникать между слоями графита, что снижает емкость аккумулятора, которая в этом случае не превышает 50–100 мАч/г.

Поэтому ученые исследовали возможность использовать для анода натрий-ионного аккумулятора углеродные нанохорны, обладающие высокой удельной площадью поверхности, доступной для адсорбции натрия. Причем дефекты, формирующиеся при изгибах графеновой сетки, также создают дополнительные адсорбционные места.

Ученые установили в своем исследовании, что модификация электронного состояния поверхности нанохорнов с помощью электроотрицательного брома, пары которого взаимодействуют с изогнутыми графеновыми стенками при комнатной температуре, увеличивают адсорбцию натрия.

«Мы выяснили, что бромированные углеродные нанохорны способны хранить на 20% натрия больше, чем исходные. Предложенный в работе подход может быть применен и для других углеродных наноматериалов с целью их использования в конденсаторах и батарейках, а также для сорбции ионов металлов», — рассказала автор статьи, научный сотрудник ИНХ СО РАН, к. х. н Светлана Столярова.

Она уточнила, что для реального производства таких аккумуляторов в дальнейшем необходимы крупномасштабные научно-практические исследования.