Сотрудники Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН и Еврейского университета в Иерусалиме создали инновационный анодный материал для натрий-ионных аккумуляторов. Он основан на сульфиде германия и максене (MXene) и демонстрирует стабильную работу в процессе многочисленных циклов заряда и разряда при повышенной скорости. Разработанная методика синтеза расширяет перспективы получения MXene-содержащих материалов для систем хранения энергии, характеризующихся высокой удельной электрохимической емкостью. О результатах исследования сообщается в журнале Journal of Colloid And Interface Science.
Современные анодные материалы для металл-ионных аккумуляторов можно разделить на три основные группы. Интеркаляционные материалы позволяют обратимо внедрять ионы металла в кристаллическую структуру, при этом объем практически не изменяется. Это обеспечивает высокую стабильность и продолжительный срок службы, что и послужило причиной коммерциализации анодов этого типа и их широкого использования в различных устройствах, начиная от мобильных телефонов и заканчивая аккумуляторами для электротранспорта. Конверсионные материалы взаимодействуют с щелочными металлами, приводя к полному разрушению и образованию новых соединений. Этот процесс часто сопровождается значительными изменениями объема и низкой энергоэффективностью. Сплавные материалы образуют сплавы с щелочными металлами, характеризующиеся высокими значениями емкости, однако их применение затруднено из-за существенного (до 300%) объемного расширения активной фазы, что ведет к разрушению электрода. Общим недостатком конверсионных и сплавных, а также комбинированных конверсионно-сплавных материалов, сдерживающим их применение, является гистерезис напряжения при циклировании, что обуславливает низкую энергоэффективность и потерю до 25% энергии за один цикл. Однако конверсионно-сплавные анодные материалы представляют интерес для некоторых специализированных применений. Это объясняется их значительно более высокой удельной электрохимической емкостью по сравнению с интеркаляционными материалами. Благодаря этому преимуществу они являются перспективными для использования в областях, где критически важен максимальный объем энергии, содержащийся в минимальном объеме или массе аккумулятора, то есть плотность энергии, например, в специализированной портативной электронике, в системах аэрокосмической техники и медицинских имплантатах.
Модификация состава и структуры материалов, участвующих в электрохимических процессах, позволяет значительно улучшить их характеристики. Обычно при создании анодных материалов используют проводящую основу, на которой формируется тонкий слой из наночастиц, обладающих электрохимической активностью. Такой подход позволяет повысить электропроводность, увеличить площадь поверхности, улучшить быстродействие электрода и повысить стабильность материала при многократных циклах заряда-разряда.
Совместная работа российских и израильских ученых привела к созданию нового электродного материала для натрий-ионных аккумуляторов. Он основан на сульфиде германия и максеном и демонстрирует стабильную работу при большом количестве циклов заряда и разряда, даже при высоких скоростях.
Авторы сообщают, что созданный композиционный материал демонстрирует выдающуюся стойкость к воздействию высоких токов заряда и разряда: повышение плотности тока в тридцать раз (от 0,1 до 3 А·г⁻¹) вызывает снижение ёмкости не более чем на 15%. Следует подчеркнуть, что при работе с высокими плотностями тока (более 1 А·г⁻¹) полученный анод (GeSₓ/MXene) обладает лучшими показателями, чем сопоставимые аноды на основе GeS₂ и восстановленного оксида графена (rGO), изготовленные тем же методом.
По словам Алексея Михайлова, ведущего научного сотрудника Лаборатории пероксидных соединений и материалов на их основе ИОНХ РАН, кандидата химических наук, в рамках исследования был разработан новый тонкопленочный электрод для натрий-ионных аккумуляторов. Он создан на основе двумерного карбида титана, покрытого сульфидом германия. Синтез материала осуществлялся с использованием поверхностно-активных веществ, что обеспечило предотвращение агрегации и позволило регулировать размер частиц. Полученные композитные материалы представляют значительный интерес для использования в качестве анодов в натрий-ионных аккумуляторах, поскольку они объединяют высокую электропроводность максена и увеличенную удельную ёмкость сульфида германия».
Данная работа была осуществлена при финансовой поддержке Министерства науки и инноваций Российской Федерации в рамках выполнения государственного задания Института органической химии им. А.В. Токаржанова РАН.
Источник: П. Гришанова, П.В. Приходченко, А.А. Михайлов, А.Г. Медведев, Д. Гришанов, О. Лев. Оценка Ti 3C2Tx MXene в качестве подложки для сульфида германия в аккумуляторах на основе ионов натрия: сравнительный анализ с подложками из восстановленного оксида графена. Journal of Colloid and Interface Science.V. 700, 138334. (https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.138334)