Натрий-ионный аккумулятор имеет энергетические характеристики, близкие к литий-ионному, но основной рабочий катион примерно в сто раз дешевле лития
Сотрудники химического факультета МГУ синтезировали
перспективный материал для натрий-ионных батарей – более дешевой
альтернативе литий-ионным аккумуляторам.
Исследование опубликовано в
журнале Chemistry of Materials.
Стремительное развитие технологии литий-ионных аккумуляторов,
появившейся в начале 1990-ых годов, произошло в связи с ростом
популярности портативной электроники: мобильных телефонов,
ноутбуков, планшетов и других гаджетов. Сейчас рынок источников
энергии продолжает развиваться благодаря повсеместному внедрению
электротранспорта, робототехники, систем хранения и распределения
электроэнергии. За изобретение литий-ионных аккумуляторов в 2019
году была вручена Нобелевская премия по химии. Но дальнейшее
развитие технологии литий-ионных аккумуляторов упирается в
серьезную проблему – в возможный «потолок» литиевых ресурсов при
нынешнем уровне технологий добычи самого легкого металла, а также
в высокую стоимость сырья. Частичный переход на альтернативный
носитель заряда в аккумуляторах – натрий — может помочь решению
проблемы.
Натрий-ионный аккумулятор имеет энергетические характеристики,
близкие к литий-ионному, но основной рабочий катион примерно в
сто раз дешевле лития (стоимость тонны карбоната натрия и лития
оценивается примерно в $200 и $20 тысяч соответственно), а
химические свойства натрия позволяют использовать легкий и
дешевый алюминий вместо тяжелой и дорогой меди на анодном
токосъемнике. Но не всё так идеально – больший радиус иона натрия
по сравнению с литиевым приводит к уменьшению плотности энергии
электродного материала. С этим связано главное ограничение
натрий-ионных аккумуляторов – для достижения энергоемкости,
сравнимой с литий-ионными, их размер должен быть на 30-50%
больше. Поэтому натрий-ионные аккумуляторы пока не могут найти
применения в портативной электронике, но уже перспективны в
качестве крупногабаритных батарей, начиная с уровня электромобиля
(десятки киловатт-часов энергии) и заканчивая масштабом
электростанций (мега- и гигаватт-часы).
Сотрудники кафедры электрохимии МГУ под руководством старшего
научного сотрудника, к.х.н.Олега
Дрожжина впервые синтезировали и охарактеризовали
электрохимические свойства натрий-ванадиевого пирофосфата
β-NaVP2O7.
«Пока поиск нового материала для электрохимических приложений
по большей части ведется на базе эмпирических предположений
ученых – они отмечают интересные свойства в соединениях сходного
состава и структуры и пытаются получить новые, улучшенные
материалы. Группа Олега Дрожжина обнаружила интересную структуру,
ранее описанную только для крупных щелочных катионов – калия,
рубидия, цезия — и попробовала синтезировать новое соединение с
натрием с целью проверить его электрохимические свойства. Они
оказались уникальными», – прокомментировал результат работы
и.о. декана химического факультета МГУ, член-корреспондент
РАН Степан Калмыков.
Энергоемкость исследованного материала достигает 420 Вт*ч/кг, что
всего на 20% меньше, чем у литиевого катодного материала LiCoO2
(530 Вт*ч/кг), и значительно выше энергоемкости многих
ранее изученных потенциальных натриевых катодных материалов.
Другой важной характеристикой электродного материала является
крайне малое – всего полпроцента — изменение объема при
заряде-разряде. Схожими свойствами обладает литий-титановая
шпинель, которая оказалась самым стабильным, мощным и безопасным
анодным материалом и потому нашла применение в аккумуляторах
электрокаров и электробусов.
«Изменение объема при циклировании напрямую влияет на такой
важный показатель, как потеря емкости со временем. Чем меньше
меняется объем материала при заряде-разряде, тем дольше он сможет
стабильно работать. Множество соединений так и не нашли
применение в аккумуляторах из-за значительного изменения в
объеме», – комментирует Олег Дрожжин.
Электрохимики получили материал, каркас которого может обратимо
отдавать и внедрять до двух катионов натрия на одну элементарную
ячейку, от состава VP2O7 до Na2VP2O7. Суммарная емкость
такого циклирования – около 220 мАч/г, что стало рекордной
величиной для подобных материалов. Кроме того, это означает, что
пирофосфат потенциально может стать и анодным материалом
натрий-ионных аккумуляторов. В дальнейшем специалисты планируют
ещё улучшить электрохимические свойства соединения за счет
изменения начальной степени окисления ванадия и частичного
замещения его на другие катионы.
Пресс-служба МГУ
Иллюстрация: Фото: Александра
Кучерова/МГУ/Электрохимические ячейки для тестирования новых
материалов, разработанные в МГУ
