Ученые Сколтеха и их коллеги из Франции, США, Швейцарии и Австралии синтезировали и изучили свойства нового перспективного катодного материала Na(Li1/3Mn2/3)O2 для натрий-ионных аккумуляторов, которые в будущем смогут стать дополнением к их литий-ионным аналогам или даже прийти им на смену. Статья с описанием этой разработки ученых опубликована в журнале Nature Materials.
Сегодня литий-ионные аккумуляторы не только широко используются в бытовой электронике, но и являются движущим фактором развития электрического транспорта. Однако мировые запасы лития весьма ограничены, а технологии его добычи экологически небезопасны, поэтому ученые и инженеры во всем мире уже давно заняты поиском других, более эффективных, надежных и экономичных решений в области хранения электроэнергии.
Одно из таких альтернативных решений — технология натрий-ионных аккумуляторов. Значительно большие запасы натрия по сравнению с литием позволяют существенно снизить экономические издержки при его добыче и переработке, что приводит к уменьшению цены конечного устройства - аккумулятора. Тем не менее, разработчикам пока не удалось создать натрий-ионный аккумулятор с достаточно высокой плотностью энергии и стабильностью работы. В настоящее время в лабораториях по всему миру ведутся работы, направленные на создание новых катодных материалов на основе натрия с оптимальными составом и структурой.
Директор Центра энергетических технологий (CEST) Сколтеха профессор Артем Абакумов и аспирант Анатолий Морозов вошли в состав международной группы ученых, которая исследовала запатентованное компанией Рено соединение Na(Li1/3Mn2/3)O2. В ходе исследования было показано, что оно является перспективным катодным материалом благодаря высокой удельной плотности энергии, отсутствия падения рабочего напряжения при длительном циклировании и устойчивости к воздействию влаги.
«Мы провели целый комплекс исследований различными передовыми методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), используя оборудование нашего Центра коллективного пользования «Визуализация высокого разрешения». Мы изучили кристаллическую структуру соединения NaLi1/3Mn2/3O2 методом электронной дифракции и выполнили её прямую визуализацию при помощи сканирующей ПЭМ с атомным разрешением. Кроме того, мы провели анализ строения Na(Li1/3Mn2/3)O2 в различных степенях заряда с помощью ПЭМ и проследили, как меняется его кристаллическая структура в процессе электрохимического циклирования», − отмечает Анатолий Морозов.
В частности, исследователи обнаружили, что обратимая (разрядная) емкость нового соединения составляет 190 мАч/г – это относительно высокое значение для катодных материалов натрий-ионных аккумуляторов. Более того, по словам Морозова данные значения разрядной ёмкости сохраняются на протяжении большого количества циклов заряда/разряда, а сам материал устойчив к воздействию влаги, что не характерно для подобных соединений. «Также при продолжительном электрохимическом циклировании у соединения Na(Li1/3Mn2/3)O2 не наблюдалось значительного снижения рабочего напряжения, что является главным недостатком аналогичных слоистых катодных материалов с повышенным содержанием лития», −поясняет Морозов.
Однако помимо преимуществ, описанных выше, NaLi1/3Mn2/3O2 имеет один недостаток − большое значение гистерезиса напряжения в процессе заряда и разряда аккумулятора, что приводит к снижению энергоэффективности катодного материала и может стать препятствием на этапе коммерческого внедрения. «Мы полагаем, что появление гистерезиса напряжения связано с миграцией марганца в процессе работы аккумулятора. Это означает, что в будущем для решения этой проблемы необходимо будет разработать модель упорядочения катионов и найти способ управлять этим процессом», − добавляет Морозов.
«В своей работе исследователи использовали установленный в ЦКП электронный микроскоп Titan Themis Z, с помощью которого можно визуализировать отдельные атомы в кристаллической решетке материала, исследовать его структуру, а также взаимосвязи между структурой и свойствами материала. Однако для получения серьезных научных результатов даже самого современного оборудования недостаточно: мы считаем, что главный секрет успеха кроется в высоком профессиональном уровне исследователей, студентов и аспирантов Сколтеха, работающих в нашем ЦКП, поэтому мы вкладываем много сил и средств в их профессиональное развитие. Директор CEST профессор Абакумов одновременно является научным руководителем нашего ЦКП, что способствует активному сотрудничеству между командой ЦКП и учеными Сколтеха и обеспечивает нашему институту значительные конкурентные преимущества при выполнении сложных научно-исследовательских проектов и разработке уникальных технологий», − отмечает директор ЦКП «Визуализация высокого разрешения» Ярослава Шахова.
В исследовании также приняли участие специалисты Коллеж де Франс, Университета Сорбонны, компании Рено, Сети электрохимического хранения энергии (RS2E), Орлеанского университета, Университета По и региона Адур и Университета Монпелье (Франция);Национальной лаборатории им. Э. Лоуренса в Беркли и Университета Иллинойса в Чикаго (США); Института Пауля Шеррера (Швейцария); Сиднейского университета, Австралийского центра по исследованию рассеивания нейтронного и рентгеновского излучения и Организации по ядерной науке и технике Австралии.
*****
Сколтех – негосударственный международный университет. Созданный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (MIT), Сколтех готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит исследования в прорывных областях и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Сколтех развивает шесть приоритетов: наука о данных и искусственный интеллект, науки о жизни и здоровье, современные методы проектирования и перспективные материалы, энергоэффективность, фотоника и квантовые технологии, перспективные исследования. Усилия Сколтеха призваны способствовать укреплению технологического превосходства России в приоритетных направлениях.
