Учёным удалось обнаружить причину низкой производительности натрий-ионных аккумуляторов в технологии производства катодного материала для них
Электромобили на аккумуляторах серьёзно повлияли на рынок транспорта. Но пока они не могут перейти решающее наступление, поскольку им требуются недорогие аккумуляторы, обеспечивающее большой запас хода электромобилей. Помимо этого, ещё требуются такие аккумуляторные батареи, которые могут накапливать в сети возобновляемую энергию от солнечных и ветровых станций. Чтобы обеспечить такие характеристики аккумуляторов, работает много учёных по всему миру.
Одним из наиболее перспективных кандидатов на замену литий-ионных батарей является натрий ионный аккумулятор. В первую очередь он привлекает тем, что распространённость натрия значительно больше, чем лития. Поэтому натрий-ионные аккумуляторы получаются значительно дешевле. Кроме того, натрий-ионный аккумуляторный элемент работает под напряжением 4,5 вольта в отличие от 3,7 вольта для Li-Ion. Поэтому он может существенно увеличить запас энергии, который будет храниться при том же объёме и весе конструкции. Однако пока имеющиеся прототипы таких аккумуляторов довольно быстро теряют производительность при циклировании (заряд-разряд). И это препятствует их коммерциализации и запуску в серийное производство.
Исследователям из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) удалось обнаружить основную причину снижения производительности натрий-ионных аккумуляторов. Они заявляют, что она заключается в появление дефектов в атомной структуре, которые образуются на этапе подготовки катодного материала. В итоге эти дефекты приводят к «структурному землетрясению» в катоде. Это вызывает катастрофическое снижение производительности во время работы аккумулятора.
Используя эти знания, разработчики аккумуляторов смогут настраивать условия синтеза, чтобы производить более совершенные катоды на основе ионов натрия. Как сообщается, ключом к данному открытию стала зависимость команды от научных возможностей мирового класса, доступных в Аргоннском центре наноразмерных материалов (CNM) и Advanced Photon Source (APS). Они оба являются объектами Управления науки Министерства энергетики США.
Один из авторов тестирования, Гуйлян Сюй, сказал, что имеющиеся возможности позволили им отслеживать изменения в атомной структуре катодного материала во время его синтеза. Причём, они делали это в режиме реального времени. Технология такова, что во время синтеза катода производители медленно нагревают катодную смесь до высокой температуры на воздухе. Затем она выдерживается в течение определенного времени, и потом катодная смесь быстро остужается до комнатной температуры.
Ещё один учёный, принимавший участие в проведении исследовательской работы, Юзи Лю сказал, что благодаря научному оборудованию Аргонны мирового класса им не пришлось гадать, что происходит во время синтеза. Они смогли всё это увидеть, для чего использовался просвечивающий электронный микроскоп в CNM и синхротронные рентгеновские лучи в APS.
Полученные данные показали, что при быстром падении температуры во время синтеза материала поверхность частиц катода становится менее гладкой. На ней появляются большие участки, которые указывают на деформацию. Кроме того, согласно полученным данным, во время циклирования катода в этих областях возникает двухтактный эффект. Он вызывает растрескивание катодных частиц и понижение производительности.
При проведении дальнейших исследований команда специалистов обнаружила, что деградация усиливалась во время циклирования катодов при высокой температуре (54 С) или быстрой зарядки (1 час вместо 10 ч).
Сотрудник Аргонны, Халил Амин, отметил, что их идеи очень важны для крупномасштабного производства улучшенных катодов для натрий-ионных аккумуляторов. При обработке большого количества материала (1000 кг) будут происходить серьёзные колебания температуры. Это вызывает образование множества дефектов, если не принять соответствующие меры.
Более ранние научные изыскания исследовательской группы позволили значительно улучшить анод. Теперь они работают над улучшением катода и согласования его с анодом. Планируется добиться увеличение производительности натрий-ионного аккумулятора на 20-40%. Причём такие аккумуляторы будут сохранять свои характеристики при длительном циклировании и высоком напряжении.
Если исследователям удастся исправить недостатки в существующей технологии производства катодного материала, то это может дать существенное увеличение запаса хода. Использование усовершенствованных натрий-ионных аккумуляторов в электромобилях позволит увеличить запас хода. А в электрической сети это позволит снизить стоимость хранения энергии.
Исследователи опубликовали проведённую работу в Nature Communications в статье под названием «Структурное землетрясение, вызванное естественной деформацией решетки в катодах из слоистого оксида натрия». Проведённое исследование было поддержано Управлением автомобильных технологий Министерства энергетики США.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
