Натрий-ионные батареи все еще имеют ряд недостатков, которые можно было бы устранить путем оптимизации материалов батарей. Одним из вариантов является легирование материала катода посторонними элементами. Команда из HZB и Университета имени Гумбольдта в Берлине изучила влияние легирования скандием и магнием. Чтобы получить полную картину, ученые собирали данные на рентгеновских источниках BESSY II, PETRA III и SOLARIS и обнаружили два конкурирующих механизма, определяющих стабильность катодов. Их исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.
Литий-ионные аккумуляторы (LIB) имеют наивысшую возможную плотность энергии на килограмм, но ресурсы лития ограничены. Натрий, с другой стороны, имеет практически неограниченные запасы и является вторым лучшим вариантом с точки зрения плотности энергии. Поэтому натрий-ионные батареи (SIB) были бы хорошей альтернативой, особенно если вес батарей не является основной проблемой, например, в системах стационарного хранения энергии.
Эксперты убеждены, что емкость таких батарей можно значительно увеличить за счет целенаправленного проектирования материалов и структуры катодов. Особо перспективными считаются катодные материалы из слоистых оксидов переходных металлов с элементами никеля и марганца (NMO-катоды). Они образуют структуры-хозяева, в которых ионы натрия хранятся при разряде и снова высвобождаются при заряде.
Однако существует риск химических реакций, которые могут первоначально увеличить емкость, но в конечном итоге ухудшить материал катода из-за локальных структурных изменений. Это приводит к сокращению срока службы натрий-ионных батарей.
В ходе исследований на трех различных источниках рентгеновского излучения эксперты пытались разобраться во влиянии двух элементов. На BESSY II они анализировали образцы с помощью резонансного инеластического рентгеновского рассеяния (RIXS) и рентгеновской спектроскопии поглощения (XAS) в области мягкого и твердого рентгеновского излучения. На PETRA III они оценивали структурные изменения с помощью рентгеновской дифракции (XRD) и анализа функции распределения пар (PDF) с использованием твердого рентгеновского излучения. Для получения более подробной информации о магнии они провели дополнительные исследования с помощью мягкой рентгеновской спектроскопии поглощения на линии PIRX в SOLARIS.
Хотя легирование скандием вызывает меньше структурных изменений во время электрохимического цикла, чем легирование магнием, оно не улучшает стабильность. Легирование магнием подавляет реакцию окисления кислорода в NMO еще больше. Это также было неожиданно, поскольку известно, что магний вызывает реакцию окисления кислорода в слоистых марганцевых оксидах. С помощью комбинации передовых методов рентгеновской спектроскопии было показано, что для улучшения долговременной производительности важно не только подавление фазовых переходов, но и взаимодействие между никелем и активностью окисления.
Источник:
Юнчунь Ли и др., Конкурирующие механизмы определения окислительно-восстановительного потенциала кислорода в легированных слоистых оксидах на основе Ni–Mn для натрий-ионных батарей (Yongchun Li et al, Competing Mechanisms Determine Oxygen Redox in Doped Ni–Mn Based Layered Oxides for Na‐Ion Batteries), Advanced Materials (2024). DOI: 10.1002/adma.202309842
-------------------------------------
Вы можете поддержать проект подпиской на канал, реакциями и комментариями, а также подписавшись на наши страницы на других площадках и на сервисе поддержки авторов Бусти. Ссылки найдёте в описании канала. Заранее спасибо!
