Разработан электролит для стабильной работы высоковольтных натрий-ионных аккумуляторов

Исследователи из США разработали мета-слабосольватирующий электролит, который оптимизируют структуру сольватации ионов натрия. Он обеспечивает повышение стабильности межфазных границ, уменьшает количество побочных реакций и обеспечивает ускорение ионного транспорта в высоковольтных натрий ионных аккумуляторах. Предложенная разработка позволит увеличить количество циклов работы, а также значительно улучшит характеристики традиционных и локализованных электролитов высокой концентрации.

Разработкой занимаются сотрудники Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) Министерства энергетики США под руководством ведущего автора этого исследования Ан Л. Фан. Он рассказал, что новый электролит является будущей стратегией для регулирования структуры сольватации натрия, которая позволит стимулировать протекание благоприятных реакций и подавлять нежелательные процессы. Это обеспечит замедление деградации материалов и снизит необратимые потери.

Традиционные электролиты для аккумуляторов разрабатывались Таким образом, чтобы производить сильную сальвацию ионов металлов. Это обеспечивает перемещение ионов в жидкой среде. Но это также приводит к образованию «ионно-растворительной оболочки», которая имеет высокую стабильность. В результате её трудно разрушить на поверхности электрода. И при такой схеме молекулы электролита часто расходуются на нежелательные побочные реакции. Это приводит к образованию нестабильных слоёв, а также расходу электролита, что ухудшает работу аккумулятора.

Предлагаемый исследователями тип электролита разработан так, что ионы натрия имеют менее прочную связь с молекулами растворителя. И они направляются в более контролируемую промежуточную сольватационную структуру. Тогда на границе раздела электродов поведение ионов меняется. В этом случае предотвращается образование  ионно-растворительных оболочек с высокой стабильностью. Такой подход позволяет уменьшить протекание вредных побочных реакций и снизить деградацию аккумулятора.

Чтобы создать аккумуляторную ячейку, специалисты использовали бис(фторсульфонил)имид натрия (NaFSI) и гексафторфосфат натрия (NaPF₆) аккумуляторного качества. Также использовались растворители высокой чистоты трис(2,2,2-трифторэтил)фосфат (TFP), этиленкарбонат (EC), триэтилфосфат (TEP), диэтилкарбонат (DEC), 1,1,2,2-тетрафторэтил-2,2,3,3-тетрафторпропиловый эфир (TTE).

Катоды, изготовленные из оксида натрия, марганца, никеля, железа (NFM424) соединили с анодами из твёрдого углерода (HC). Последние изготавливались путём литья в суспензию на алюминиевую фольгу с использованием связующих веществ (карбоксиметилцеллюлоза натрия (CMC), поливинилиденфторид (PVDF),  стирол-бутадиеновый каучук (SBR), проводящий углерод (углерод Super P, C45)). Перед сборкой электроды сушили в вакууме.

Полноценные элементы, которые включают в себя катоды из NFM424 и аноды из HC, были собраны в перчаточном боксе в атмосфере аргона. При этом использовались стандартные компоненты дисковых элементов. После этого проводились электрохимические испытания с использованием циклических устройств для аккумуляторов при температуре 30 градусов Цельсия. С помощью тестов на ток утечки оценивания стабильность  межфазной границы. Сравнение производилось с эталонными алюминиевыми (Al) и NFM424 электродами. Анализ структуры сольватации электролита выполняли с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса (NMR).

Специалисты провели анализ электродов после 50 циклов. Использовались такие методики, как просвечивающая электронная микроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, сканирующая просвечивающая электронная микроскопия (СТЭМ), сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (ЭДС).

Проведённое тестирование продемонстрировало, что разработанная конструкция аккумуляторной ячейки обеспечивает лучшую подвижность натрия, чем в предложенных ранее аккумуляторах. Тесты на ток утечки, по словам учёных, подтвердили наилучшую стабильность межфазного слоя при высоком напряжении. Это согласуется с пониженной реакционной способностью свободного растворителя и улучшенным формированием межфазного слоя катод-электролит (CEI).

Кроме того, исследователи обнаружили, что аккумуляторный элемент сохраняет 80% своей емкости после 500 циклов, по сравнению со 100-300 циклами для эталонных устройств. После проведения электрохимической импендансной спектроскопии ученые увидели, что улучшения связаны с более низким сопротивлением переноса заряда. Это связано с более быстрой десольвацией натрия и более эффективным межфазным транспортом.

Новая конструкция аккумуляторного элемента была представлена ​​в статье «Мета-слабосольватирующий электролит для высоковольтных натрий-ионных батарей», опубликованной в журнале Nano Energy.