Исследования новых функциональных материалов для аккумуляторов нового поколения проводят ученые Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН (ИНХ СО РАН) совместно с коллегами из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), 27 сентября сообщает пресс-служба ИЯФ СО РАН.

В настоящее время питание практически всей портативной электроники и бытовой техники выполняют литий-ионных аккумуляторы, которые быстро заряжаются, имеют высокую энергоемкость и длительный срок службы.

Однако их производство в скором времени может столкнуться с проблемой исчерпания запасов руды, содержащей литий — дорогой и редкий металл. Кроме того, его производство неэкологично. Учеными предложена альтернатива литию — создание натрий-ионных аккумуляторов.

Ученые ИНХ СО РАН создали новый гибридный материал из дисульфида молибдена и графена, который они предлагают в качестве анодной части натрий-ионных аккумуляторов.

Сейчас научная группа специалистов ИНХ СО РАН и ИЯФ СО РАН с помощью синхротронного излучения (СИ) на экспериментальной станции «Космос» в Центре коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» (ЦКП СЦСТИ) проводит исследование характеристик этого материала.

Исследования показали хорошую стабильность и достаточную энергоемкость нового материала. Это говорит о том, что основные параметры качества батареек при использовании данного материала останутся на высоком уровне.

Старший научный сотрудник лаборатории физикохимии наноматериалов ИНХ СО РАН кандидат физико-математических наук Анастасия Федоренко рассказала о проекте:

«Натрий — довольно дешев, по сравнению с литием, и он более распространен. Поэтому во всем мире сегодня внимание переключено на создание материалов, которые бы хорошо работали в натрий-ионных аккумуляторах — отвечали за повышение стабильности их работы и хорошую энергетическую емкость. В нашей лаборатории мы разрабатываем наноструктурированные функциональные материалы с интересующими нас свойствами, в том числе для электрохимических применений».

Исследователи путем «точечных» замен или «удаления» атомов химических элементов в синтезируемом материале формируют ему характеристики, позволяющие ионам натрия эффективно с ним взаимодействовать.

«Мы можем убрать атом серы или молибдена из материала, и у нас появятся пустые места, так называемые „вакансии“, — поясняет Анастасия Федоренко. — В них мы помещаем атомы других химических элементов, например, азота, никеля, селена или кобальта. Любые наши действия будут изменять реакционную активность и электропроводность материала, влияя таким образом на его функциональные характеристики».

Проверяя затем, как ионы натрия взаимодействуют с модифицированным веществом, исследователи изменяли условия синтеза материала, чтобы добиться характеристик, необходимых для хорошей работы будущего аккумулятора, таких как большая емкость, высокая стабильность, длительность работы, в том числе при высоких плотностях тока.

Как сообщила Анастасия Федоренко, ученые в ходе исследования убедились, что синтезируемый материал обеспечивает хорошую стабильность в течение более 1200 циклов заряда и разряда аккумулятора и достаточную энергоемкость — 440 мАч/г при плотности тока 0,1 A/г.

Эти показатели превосходят теоретическую емкость аморфных углеродных материалов, используемых в качестве анода натрий-ионных аккумуляторов, которая не превышает 300 мАч/г. При этом такие материалы после 1000 циклов работы аккумулятора теряют до 20% своей емкости.

Характеристики материала были определены с помощью рентгеновской спектроскопии на экспериментальной станции «Космос» ЦКП СЦСТИ на базе ИЯФ СО РАН.

«Использование СИ в качестве источника рентгеновского излучения позволит применить современные методы диагностики наноматериалов и перейти к проведению in situ экспериментов. Суть которых заключается в исследовании процессов циклирования натрий-ионных аккумуляторов с высокой чувствительностью, позволяющей зафиксировать даже небольшие изменения структуры вещества», — добавила Анастасия Федоренко.