Ученые МГУ изучили механизм уменьшения емкости натрий-ионных аккумуляторов
Коллектив сотрудников кафедр радиохимии и электрохимии химического факультета МГУ совместно с учеными из Сколковского института науки и технологий подробно исследовал новое соединение для катода в натрий-ионных аккумуляторах. Об этом сообщили в пресс-службе вуза.
Полученные данные позволяют описать механизм работы катода и создать материалы для нового типа более дешевых и доступных батарей. Работа выполнена в рамках национального проекта «Наука и университеты», который призван поддерживать и развивать научную деятельность и образование в России.
Одно из решений — замена лития на более дешевый натрий в материале катода и создание натрий-ионных аккумуляторов. Принцип работы батареи при этом не меняется: ионы щелочного металла изначально находятся между плоскостями соединения со слоистым строением, а в процессе заряда батареи покидают структуру и движутся к аноду; при разрядке батареи ионы возвращаются к катоду и встраиваются обратно в межслоевое пространство.
«Когда мы обнаруживаем материал, который хорошо себя проявляет, мы задаемся вопросом — почему так происходит с точки зрения процессов внутри структуры? Когда ионы натрия покидают катод, другие металлы в соединении могут изменять свой условный заряд, чтобы сохранить электронейтральность материала. Наша задача — понять, какой из металлов в структуре первым реагирует на выход натрия из межслоевого пространства, в какой последовательности они будут изменять свои степени окисления. Эти данные помогут нам не только разработать новые материалы, но и решить проблемы уже существующих аккумуляторов», — рассказывает один из авторов работы, ведущий научный сотрудник кафедры радиохимии химического факультета МГУ Игорь Пресняков.
Чтобы заглянуть внутрь катода, химики использовали несколько различных методов. Среди преимуществ всех приборов особенно важна их селективность, возможность выбрать конкретный элемент (например, атомы никеля) и наблюдать только за его изменениями степени окисления или химического окружения. Один из методов — абсорбционная спектроскопия рентгеновского поглощения (XAS). Обычно XAS реализуется на крупных установках мегасайенс — синхротронах. Однако на кафедре радиохимии химического факультета МГУ смогли создать лабораторный спектрометр, который не уступает им по техническим характеристикам.
«Очень часто попасть на синхротрон невозможно из-за большого количества желающих. Кроме того, время анализа на таких установках ограничено, поэтому круг исследований сужается. В этой работе благодаря постоянному доступу к прибору нам удалось изучить цикл заряда-разряда катода в режиме operando. Мы не отключали ячейку от источника тока во время измерений. Образец находился под рентгеновским пучком около 30 часов, и это уникальный эксперимент — нигде больше в России или Европе вы не сможете провести такой длительный анализ методом XAS», — поясняет автор работы, младший научный сотрудник кафедры радиохимии Даниил Новичков.
Результаты исследования NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2 с помощью этого прибора в сочетании с другими аналитическими методами помогли ученым понять, какие изменения происходят в структуре соединения в процессе работы катода.
«Мы выяснили, что первым на выход натрия из структуры "реагирует" никель, его можно назвать самым активным металлом в этом соединении. Кроме того, нам удалось узнать, почему уменьшается емкость аккумулятора с позиции структурных изменений. Поэтому одна из наших задач в будущем — найти способы предотвратить деградацию катода», — рассказывает Игорь Пресняков.