Высокоемкий и высоковольтный активный материал положительного электрода для натрий-ионных аккумуляторов разработали ученые из Сколковского института науки и технологий и МГУ, 1 августа сообщила пресс-служба Сколтеха.

Литий-ионные аккумуляторы, альтернативой которым должны стать натрий-ионные аккумуляторы, в настоящее время широко используются во всей портативной электронике, электромобилях, а также на солнечных и ветряных электростанциях, где они служат накопителями энергии.

Однако такое широкое потребление лития привело к уменьшению его запасов, что вызвало более чем пятикратный рост цен на литий.

Натрий, как и литий, является щелочным металлом, он гораздо более распространен, чем его сосед выше по столбцу в таблице Менделеева, и это делает его альтернативой для лития, так как в этом случае не потребуются изменения базовой архитектуры батареи.

Однако для получения оптимальных характеристик нужно будет заново подбирать подходящие материалы. В том числе для катода, определяющего электрические характеристики аккумулятора.

Ученые из Сколтеха и МГУ теоретически предсказали, синтезировали и испытали новый катодный материал — порошок фторидофосфата натрия — ванадия NaVPO₄F с особой кристаллической решёткой, обеспечивающий энергоемкость батареи на 10–15% выше, чем с ранее исследованными материалами.

Соавтор исследования, старший преподаватель Сколтеха Станислав Федотов пояснил: «На самом деле, и наш материал, и прежний рекордсмен по энергоёмкости называются одинаково: фторидофосфат натрия — ванадия. Дело в том, что оба вещества состоят из одних и тех же атомов, но соотношение между элементами разное. И кристаллическая решётка тоже».

Дальнейшие разработки более эффективных материалов для натрий-ионных аккумуляторов, считают ученые, сделают натрий-ионные аккумуляторы конкурентоспособными литий-ионным аналогам, и позволят заменить их прежде всего как источники питания электробусов и грузовиков на электроприводе или в системах хранения энергии на ветряных и солнечных электростанциях.

«Высокой энергоемкостью преимущества не ограничиваются. Катоды из нашего материала могут работать при сравнительно низких температурах, что, в частности, актуально для России», — добавил Федотов.

Первый автор работы, стажер-исследователь Семён Шраер из Сколтеха, рассказал, что научная группа подходила к поиску материалов для аккумуляторов на основе химии твердого тела. Базовую формулу материала, обеспечивающую высокую энергоемкость, подсказали теоретические расчеты.

«Следующий этап, — продолжил Шраер, — понять, какая кристаллическая структура сможет позволить полностью реализовать эту ёмкость. Мы выбрали решётку по образу и подобию титанил-фосфата калия, которая ранее изучалась в нелинейной оптике, но для аккумуляторных технологий нова».

Подробно проработав теоретическую часть, авторы поняли, что это конкретное соединение с этой конкретной решеткой должно иметь нужные характеристики и синтезировали его методом низкотемпературного ионного обмена.

Эксперимент подтвердил превосходные характеристики нового материала.