Новости химической науки > Натрий-ионные аккумуляторы смогут заменить литий-ионные?

По мере роста потребностей в литий-ионных аккумуляторах производители источников питания сталкиваются с проблемой сырья для их производства. Дело в том, что литий не относится к числу широко распространенных химических элементов и месторождения соединений лития находятся лишь в небольшом количестве стран.

Оба эти обстоятельства не позволяют оценить долгосрочные перспективы рынка литий-ионных. Чуньшен Вонг (Chunsheng Wang) и Джон Камингз (John Cumings) из Университета Мэриленда предлагают модифицированную версию анода для литий-ионного аккумулятора, которая позволит заменить литий более распространенным элементом.

Натрий представляет собой распространенный в земной коре и дешевый химический элемент, свойства которого во многом похожи на свойства лития, однако до настоящего времени натрий не мог заменить литий в литий-ионных источниках питания.

Основная проблема, связанная с невозможностью замены лития на натрий в аккумуляторах заключается в соотношении размеров ионов лития и натрия. Больший по радиусу ион натрия предъявляет особые требования к анодному материалу, в котором должен осуществляться транспорт положительно заряженных ионов. Наиболее популярным материалом для изготовления анодов литий-ионных аккумуляторов является графит. При изготовлении графитовых анодов литий без проблем электрохимически интеркалируется в слоистую структуру этой аллотропной модификации углерода, однако обычный графит не может также свободно разместить в себе ионы натрия, в результате чего ионы натрия в графите обладают гораздо меньшей подвижностью, что, приводит к малой производительности натриевого аналого литий-ионного источника питания и его низкой емкости.

Полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа изображение обычного графита (a) и расширенного графита (b). Масштаб шкалы 10 нм. (Рисунок из Nature Communications, 2014, 5, Article number: 4033 doi:10.1038/ncomms5033)

Решение проблемы, которое предлагают Вонг и Камингс, заключается в увеличение расстояния между отдельными слоями атомов углерода, образующих кристаллическую структуру графита. Исходным материалом для исследования был оксид графита, коммерчески доступный материал, который обычно получают за счет обработки графита корродирующим раствором, в результате такой обработки между слоями графита размещаются атомы кислорода. Атомы кислорода связываются с атомами углерода в составе каждого слоя, раздвигая эти слои и увеличивая расстояние между ними. Однако пустоты получающегося таким образом материала заполнены кислородом и не дают внедриться ионам натрия. Для того, чтобы такой материал мог применяться для изготовления натрий-ионных аккумуляторов, необходимо удалить часть атомов кислорода.

Эта задача также была решена – при пропускании через нагретый окисленный графит газообразного аргона оксид графита частично разлагается с выделением молекул углекислого и угарного газа, отходящих с потоком аргона. Многочисленные эксперименты позволили подобрать оптимальные условия – температуру нагрева, скорость потока аргона и время обработки, которые позволяли удалить достаточное количество кислорода для предоставления ионам натрия вхождения в структуру материала, при этом оставив определенное количество «кислородных мостиков», препятствующих сжатию расширенного графита.

Изучение нового анодного материала как в качестве анода прототипов натрий-ионных аккумуляторов, так и с помощью просвечивающего электронного микроскопа, показало, что изготовленные из расширенного графита аноды натрий-ионных аккумуляторов отличается высокой плотностью энергии и сохраняет 73% емкости после 2000 циклов зарядка/разрядка.

Источник: Nature Communications, 2014, 5, Article number: 4033 doi:10.1038/ncomms5033

метки статьи: #аккумуляторы, #неорганическая химия, #новые материалы, #топливные элементы, #электрохимия