Специалисты HZB раскрывают потенциал быстрого заряда Na-Ion аккумуляторов

Учёные из Берлинского института Гельмгольца (HZB) в ходе своих исследований нашли новый механизм накопления энергии в натрий ионных аккумуляторных батареях. Согласно результатам их исследования, коинтеркаляция ионов натрия и молекул растворителя в катодных материалах является обратимой. Благодаря этому можно создавать высокоскоростные эффективные натрий-ионные элементы.

Специалисты HZB продемонстрировали, что коинтеркаляция растворителя в натрий-ионных катодах даёт высокую производительность и при этом наблюдаются минимальные потери ёмкости. По мнению учёных, это указывает на новые стратегии проектирования современных моделей натрий-ионных АКБ.

Группа специалистов работала под руководством профессора Филиппа Адельхельма. Долгое время учёные считали, что коинтеркаляция является отрицательным фактором для стабильности аккумулятора. Но на самом деле она может увеличивать производительность катодных материалов. В традиционных моделях натрий-ионных и литий-ионных аккумуляторов применяется интеркаляция, в ходе которой ионы мигрируют в электродные структуры. При коинтеркаляции молекулы и ионы растворители перемещаются вместе. Долгое время это явление считалось причиной сокращения срока службы аккумулятора.

Проведенная исследователями HZB и их международными партнёрами работа продемонстрировала, что коинтеркаляция ионов и молекул растворителя в катодных материалах может быть обратимой. Кроме того, это быстрый процесс. Продемонстрированные результаты открывают путь к созданию высокоэффективных натрий-ионных аккумуляторных элементов с высокой скоростью заряда. Как отметил руководитель исследования, явление коинтеркаляции может быть использовано для разработки эффективных и быстрозаряжающихся аккумуляторов. Именно поэтому учёные считают, что это направление нужно изучать более подробно.

Группа учёных провела исследование слоистых сульфидов переходных металлов. Они рассматривали их в качестве потенциальных носителей катода. Три года доктор Янань Сан из HZB занимался измерениями объёма, а также структурными исследованиями с применением синхротронного излучения. Работы велись на установке PETRA III в DESY. Кроме того, проводились электрохимические испытания системы электрод–растворитель. Специалистам удалось вывести характеристики, позволяющие спрогнозировать поведение коинтеркаляции в будущих материалах.

Исследователи объясняют, что процесс коинтеркаляции в материале катода значительно отличается от того, что идёт в анодах из графита. Все прежние исследования графита методом HZB продемонстрировали обратную миграцию натрия с молекулами глима. Но применение которых было неясным. Во время проводимых исследований катоды сохраняли свою ёмкость и демонстрировали очень высокую кинетическую скорость реакции. Поэтому учёные делают вывод, что ряд катодных материалов имеют существенные преимущество, заключающееся в сверхбыстрой кинетике.

Исследовательские работы по коинтеркаляции были весьма рискованными, поскольку они противоречат классическим знаниям об аккумуляторах. Однако они оказались успешными и участники выражают благодарность Европейскому исследовательскому совету за финансирование этой идеи в рамках гранта ERC Consolidator.