Для Сибири, где климат резко континентальный и среднегодовая температура порядка 0 оC, вопрос устойчивости аккумуляторов к морозам всегда актуален. При низких температурах ухудшаются процессы переноса заряда, замедляется кинетика. Чтобы найти выход из ситуации, ученые из Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН приступили к поиску материалов, которые подойдут для литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов, а также будут устойчивы к перепадам температур.
Вопрос стоимости батарей также был немаловажен. Сегодня литий-ионные аккумуляторы используются повсеместно: от смартфонов и ноутбуков до электромобилей и электробусов. Однако в природе запасы лития ограничены, и он встречается гораздо реже натрия. А значит, дешевле производить натрий-ионные аккумуляторы. При этом принцип работы батарей одинаковый. Материалами катода (положительно заряженного электрода) являются соединения на основе лития и натрия, такие как кобальтат лития, литий-марганцевая шпинель, литий-феррофосфат. В качестве материала анода (отрицательно заряженного электрода) используют графит, который хорошо совместим с литием. Ионы лития свободно внедряются в структуру между слоями графита, и происходит так называемая интеркаляция. Но для натрий-ионных аккумуляторов графит не подходит. У натрия больший ионный радиус, и обратимо проникнуть в межслоевое пространство графита он не может. Поэтому ученые начали разработку новых анодных материалов.
«Мы старались подобрать материал, который показывал бы свою эффективность как в литий-, так и в натрий-ионных аккумуляторах. Поскольку гибридные материалы на основе дисульфида молибдена уже исследовались нами ранее и показали высокий результат при комнатной температуре, мы решили продолжить работу с ними, но несколько модифицировав», — рассказывает научный сотрудник ИНХ СО РАН Анна Андреевна Ворфоломеева.
При использовании дисульфида молибдена в литий-ионных аккумуляторах значения составили порядка 1000 мАч/г, в натрий-ионных — порядка 400. Ученые разработали методику синтеза, при котором происходит быстрое нагревание исходного вещества до заданной температуры, что позволяет получить материал с увеличенным расстоянием между слоями. То есть, становится возможна интеркаляция ионов лития или натрия.
Кроме того было обнаружено, что в исследуемом материале происходит также реакция конверсии с образованием молибдена и сульфида металла. В результате высвобождается элементарная сера, и батарейка начинает работать как литий-серная. Однако растворение промежуточных полисульфидов в электролите (среде для переноса ионов) приводит к снижению емкости.
Чтобы предотвратить деградацию материала, ученые рассматривают несколько вариантов. Например, создание материала с углеродной компонентой, который обладает проводимостью и обеспечивает стабильность его работы. Еще один метод — создание дефектов: вакансии (отсутствие атома в узле кристаллической решетки) либо внедрение атомов, отличных от молибдена и серы.
Ученые тестировали новый материал при комнатной температуре, а затем поэтапно снижали ее до –20 оC. В процессе варьировали состав электролита, что позволило сохранить емкость в батареях на достаточно высоком уровне. Так, при температурах от 25 оC до -20 оC в литий-ионных аккумуляторах она составила 80%, в натрий-ионных — 60%. При этом батареи работают стабильно.
«Сейчас мы проводим исследования до -20 оC, но планируем спускаться и ниже. Проект начали полгода назад и постепенно испытываем материалы при всё более низкой температуре», — отметила Анна Ворфоломеева.
Источник фото: 123RF